CN103268915B - 一种柔性多铁性器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型结构的柔性多铁性器件。该器件包括柔性多铁材料与支撑体；其中，支撑体与柔性多铁材料的接触面分布在柔性多铁材料的底部边缘，并且柔性多铁材料以该接触面为支撑呈悬空状。实验证实，这种结构一方面保证了该器件的“自支撑性”，从而能够避免柔性多铁材料底面直接置于其他刚性支撑体等表面而导致受到钉扎束缚作用大大减弱磁电耦合效应；另一方面保证了该器件的“柔性”，由于柔性多铁材料大部分呈悬空状，使磁电耦合过程中产生的震动被尽可能放大，从而能够实现较大的磁电耦合效应，因此，该器件在磁传感器和能量收集等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及多铁性材料技术领域，磁性传感器和能量收集领域，尤其涉及以一种柔性多铁性器件，能够应用磁传感和能量收集设备中。
背景技术
多铁性材料是一种集铁电性、铁磁性和铁弹性于一身的新型多功能材料。由于各种“铁性”之间存在耦合相互作用，多铁性材料具有一些独特的物理效应，比如，通过铁电性与铁磁性之间的耦合作用，可以利用磁场控制铁电性，也可以利用电场控制磁性，包括磁矩取向等。
多铁性材料在微弱磁场探测领域具有重要的应用前景，研究表明，多铁材料磁传感器预期灵敏度高达10-12T以上，甚至可以用于探测生物体所产生的微弱磁场。另外，多铁性材料在电场写入磁场读出式高密度信息存储等方面也具有重要的应用前景。因此，新型多铁性材料的探索、结构的设计、机理的研究对于发展超高灵敏度的磁传感器及能量收集具有重要的意义。
目前，多铁性材料包括刚性多铁材料与柔性多铁材料。刚性多铁材料往往制备在刚性基底表面，或者材料自身具有刚性支撑效果，因此存在难以施加应力、难以大规模制备等缺点。相比而言，柔性多铁材料无基底或者基底为柔性，因此不仅具有柔韧性、便于携带，还大大降低了基底的束缚力，增强了磁电耦合效应。
但是，柔性材料往往具有无定型性，由柔性多铁材料制成柔性多铁性器件使用时，一般需要将柔性多铁材料置于刚性支撑体上，或者是将柔性多铁材料限制在具有刚性作用的封装体内，因此在实际使用中该柔性多铁性器件的磁电耦合效应往往由于刚性支撑体或者封装体的钉扎束缚作用而减弱。
发明内容
本发明的技术目的是针对上述由柔性多铁材料制备柔性多铁性器件时所存在的问题，提供一种柔性多铁性器件，该器件能够降低刚性支撑体或者封装体对柔性多铁材料磁电耦合效应的影响，实现多铁材料中铁电铁磁之间更大的耦合以及在传感器和能量收集方面更为广泛的应用。
本发明实现上述技术目的所采取的技术方案为：一种柔性多铁性器件，主要包括柔性多铁材料，以及与柔性多铁材料底部相接触连接、用于支撑该柔性多铁材料的支撑体，所述的支撑体与柔性多铁材料的接触面分布在该柔性多铁材料的底部边缘，该柔性多铁材料以该接触面为支撑呈悬空状。
所述的柔性多铁材料包括单相多铁材料，或者由具有高居里温度、高磁化强度的铁磁材料与具有高铁电居里温度、高电极化强度的铁电材料构成的铁电/铁磁复合结构，如铁电/铁磁异质结或超晶格体系，即复合型多铁材料。
当柔性多铁材料为铁电/铁磁复合结构时，作为一种实现方式，自下而上依次为：底电极层、柔性铁电基底层、顶电极层、磁性材料层。作为另一种实现方式，自下而上依次为：顶端磁性材料层、底电极层、柔性铁电基底层、顶电极层、底端磁性材料层。
所述的支撑体与柔性多铁材料的接触面可以是闭合的环状结构，包括规则的环状结构，例如，圆环结构、椭圆环结构、中空的N边形结构N(N≥3)等，也包括不规则的环状结构；也可以是由n(n≥2)个彼此独立、无交叠的子接触面组成的整体，该子接触面形状包括规则形状，例如N(N≥3)边形结构，也包括不规则形状。
所述的柔性铁电基底层需要具有压电效应，该衬底包括但不限于单晶衬底、陶瓷衬底、金属衬底、有机物衬底、塑料衬底、铁电衬底等。
所述的顶电极层和底电极层采用非磁性材料构成，包括铂、金、钛、钨、钽、铝、铜、银及其合金等。
所述的支撑体采用非磁性材料构成，包括但不限于玻璃、塑料、橡胶等材料。
所述的铁磁材料层需要具有磁致伸缩效应，其构成包括但不限于磁性金属、磁性金属合金、磁性氧化物、有机磁性材料等。
其中，所述的磁性金属、磁性金属合金、磁性氧化物、有机磁性材料的选用不限，包括铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、石墨烯、铁钴合金（Fe-Co）、铁镍合金（Fe-Ni）、钴铬合金（Co-Cr）、钴钯多层膜（Co/Pd）、钴铂多层膜（Co/Pt）、钐钴合金（Sm-Co）、钐钴铬合金（Sm-Co-Cr）、铽镝铁磁致伸缩合金（Terfenol-D）、铁镓合金（Fe-Ga）、钴掺杂的γ相三氧化二铁（Co-γ-Fe2O3）、钴掺杂的四氧化三铁（Co-Fe3O4）、γ相三氧化二铁（γ-Fe2O3）、四氧化三铁（Fe3O4）、钡铁氧体（BaFe2O4）、锶铁氧体（SrFe2O4）、镍铁氧体（Ni Fe2O4）、钴铁氧体（CoFe2O4）、锰酸锶镧(La,Sr)MnO3、锰酸钙镧(La,Ca)MnO3、锰酸钡镧(La,Ba)MnO3、锰酸铅镧(La,Pb)MnO3、锰酸银镧(La,Ag)MnO3、磁性颗粒掺杂的有机聚合物。
所述的铁电（压电）材料层的选用不限，包括钛酸钡(BaTiO3)、钛酸钡的掺杂材料、铅基铁电材料或者单相多铁材料构成；铅基铁电材料可以是钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)、钛酸铅镧((La,Pb)TiO3)、锆钛酸铅镧((La,Pb)(Zr,Ti)O3)、铌镁酸铅(Pb(Mg,Nb)O3)、铌锌酸铅(Pb(Zn,Nb)O3)、铌钪酸铅(Pb(Sc,Nb)O3)、铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3)、铌锌酸铅-钛酸铅(Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3)或者铌钪酸铅-钛酸铅(Pb(Sc,Nb)O3-PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸锶钡((Ba,Sr)TiO3)、铁酸铋(BiFeO3)等；单相多铁材料可以是铁酸铋(BiFeO3)、有机铁电材料。
本发明柔性多铁性器件的制备方法简单易行，将支撑体固定在柔性多铁材料的底部边缘即可。其中柔性多铁材料的制备技术包括但不限于磁控溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法、溶胶凝胶法或者脉冲激光沉积法等。
当柔性多铁材料为铁电/铁磁复合结构时，柔性铁电基底层可以通过购买商业化的柔性铁电基底而得到；也可以利用牺牲层的方法制备柔性铁电基底层。
本发明所述的柔性多铁性器件具有多种用途。例如，将其放置在外界磁场中，即可以构成磁场探测器。在工作状态时，外界施加的偏置场会使器件的磁电耦合的大小发生变化，导致在一定的输入电压下，输出电压发生变化，从而实现对磁场的灵敏探测。
此外，若对本发明所述的柔性多铁性器件加入某个频率的振动，即可以构成能量收集器件。在工作状态时，外加振动可以影响该柔性多铁性器件的振动频率，导致铁电材料的输出发生变化，从而实现能量的收集。
综上所述，本发明提供的柔性多铁性器件包括柔性多铁材料与支撑体，该支撑体与柔性多铁材料的底部接触面积小于该柔性多铁材料的底部面积，并且该柔性多铁材料以接触面为支撑呈悬空状。这种结构一方面保证该柔性多铁性器件的“自支撑性”，即在柔性多铁性器件中提供了与多铁性材料相接触连接、并且接触面尽可能小的支撑体，以支撑该多铁性材料，从而避免柔性多铁材料底面直接置于其他刚性支撑体等表面，导致柔性多铁材料整个底面受到钉扎束缚作用而磁电耦合效应大大减弱；另一方面保证该柔性多铁性器件的“柔性”，即以该接触面为支撑，柔性多铁材料呈悬空状，避免了柔性多铁材料的底部束缚，使磁电耦合过程中产生的震动被尽可能放大，从而实现较大的磁电耦合效应。因此，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）结构设计简单巧妙，通过对柔性多铁材料施加支撑体，既可以使磁和电之间的相互耦合作用增强，又可以使原本无定形的柔性多铁材料制作成型，并制成各种结构的器件，在实际生活中有广泛的应用价值；
（2）通过对支撑***置与结构的调整，有效提高了该柔性多铁性器件的磁电耦合效应，具有良好的工业实际应用前景；
（3）可扩展性强，并且适用性强，能够应用于电感、多铁性磁传感器、磁记录设备等多种实体中。
附图说明
图1是本发明实施例1柔性多铁性器件中的纵切面剖视图；
图2是图1中支撑体的横截面示意图；
图3是本发明实施例1柔性多铁性器件用于磁场探测器的结构示意图；
图4是本发明实施例1柔性多铁性器件用于能量收集器的结构示意图；
图5是本发明实施例1柔性多铁性器件在外加偏置场下的磁电耦合效应图；
图6是本发明实施例2柔性多铁性器件中的纵切面剖视图；
图7是图6中支撑体的横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1-7中的附图标记为：底电极1、柔性铁电基底2、顶电极3、顶端铁磁材料层4、底端铁磁材料层5、支撑体6、电极引线及锁相输出7、亥姆霍兹线圈8、柔性多铁材料9。
实施例1：
本实施例中，如图1所示，柔性多铁性器件主要包括柔性多铁材料9，以及与柔性多铁材料9底部相接触连接、用于支撑该柔性多铁材料9的支撑体6。
支撑体6为中空的圆柱状结构，其横截面如图2所示为圆环状，该支撑体6分布在柔性多铁材料9的底部边缘，与柔性多铁材料9的接触面为圆环形。以该接触面为支撑，柔性多铁材料9呈悬空状。
如图1所示，柔性多铁材料9自下往上依次为：底电极1、柔性铁电基底2、顶电极3、顶端铁磁材料层4。其中，柔性铁电基底2为PVDF构成；顶端铁磁材料层4由非晶丝metglas构成，其磁致伸缩系数为60ppm；底电极1和顶电极3均为Al材质。
上述柔性多铁性器件的制备方法如下：
步骤1：在柔性铁电基底2的上下表面分别镀顶电极3与底电极1，然后在顶电极3表面涂环氧树脂胶，将磁性材料层黏贴在顶电极3表面，将粘结好的样品两面分别固定在两个载玻片中间，利用夹子将载玻片固定，放至阴凉通风处，待牢固后取出样品，即得到柔性多铁材料9；
步骤2：选取合适高度和大小的中空圆柱状玻璃支撑体6制作支撑结构，保持该圆柱状支撑体6表面洁净，不带有磁性杂质，同时，保证该圆柱状支撑体6的表面完全平整，用以支撑上述柔性多铁材料9；
步骤3：将制备好的柔性多铁材料9底部边缘粘结在准备好的支撑体6上（利用环氧树脂胶或者502胶），即该支撑体6与柔性多铁材料9的接触面分布在该柔性多铁材料9的底部边缘，使该柔性多铁材料9以该接触面为支撑形成“鼓”式或悬空式结构，并在顶电极3和底电极1两端引出电极及锁相输出7，即得到如图1所示的柔性多铁性器件。
当对上述制得的柔性多铁性器件施加一个交流磁场时，由于顶端铁磁材料层4的磁致伸缩效应，会引起顶端铁磁材料层4的metglas非晶丝的震动，从而带动柔性铁电基底2的震动，进而由于压电效应，产生一个输出电压。由于这种结构的柔性多铁性器件中支撑体6与柔性多铁材料9的接触面位于柔性多铁材料9的底部边缘，并且该接触面远小于柔性多铁材料9的底部面积，同时以该接触面为支撑，柔性多铁材料9呈悬空状，因此有效避免了柔性多铁材料9的底部束缚，使磁电耦合过程中产生的震动被尽可能放大，从而能够实现较大的磁电耦合效应。
如图3所示，将上述制得的柔性多铁性器件放入一个亥姆霍兹线圈8中，探测其电压输出，即可用来做磁传感器。在工作状态时，外界施加的偏置场会使磁电耦合的大小发生变化，导致在一定的输入电压下，输出电压发生变化，从而实现对磁场的灵敏探测。
当对上述制得的柔性多铁性器件加入某个频率的振动，如图4所示，即可以构成能量收集器件。在工作状态时，外加振动可以影响该柔性多铁性器件的振动频率，导致铁电材料的输出发生变化，从而实现能量的收集。
通过磁电耦合测试***测试上述制备得到的柔性多铁性器件，结果如图5所示，可以看出，该柔性多铁性器件具有较大的磁电耦合效应，在外加10Oe偏置场的情况下，其磁电耦合增大至原来的十倍，说明这个器件对外场非常敏感，能够用于微弱磁场探测。
实施例2：
本实施例中，如图6所示，柔性多铁性器件主要包括柔性多铁材料9，以及与柔性多铁材料9底部相接触连接、用于支撑该柔性多铁材料9的支撑体6。
支撑体6为两个完全相同的柱状体组成。其横截面如图7所示为长方形，该支撑体6分布在柔性多铁材料9的底部两端边缘，与柔性多铁材料9的接触面是由两个彼此独立、无交叠、形状为长方形的子接触面组成。以该接触面为支撑，柔性多铁材料9呈悬空状。
如图6所示，柔性多铁材料9自下往上依次为：底端铁磁材料层5、底电极1、柔性铁电基底2、顶电极3、顶端铁磁材料层4。其中，柔性铁电基底2为PVDF构成；底端铁磁材料层5与顶端铁磁材料层4由非晶丝metglas构成，其磁致伸缩系数为60ppm；底电极1和顶电极3均为Al材质。
上述柔性多铁性器件的制备方法如下：
步骤1：在柔性铁电基底2的上下表面分别镀顶电极3与底电极1，然后在顶电极3表面涂环氧树脂胶，将顶端铁磁材料层4黏贴在顶电极3表面，底端铁磁材料层5黏贴在底电极1表面，将粘结好的样品两面分别固定在两个载玻片中间，利用夹子将载玻片固定，放至阴凉通风处，待牢固后取出样品，即得到柔性多铁材料9；
步骤2：选取两个完全相同的横截面为矩形的柱状体作为支撑体6，保持该支撑体6表面洁净，不带有磁性杂质，同时，保证该支撑体6的表面完全平整，用以支撑上述柔性多铁材料9；
步骤3：将制备好的柔性多铁材料9的底部两端边缘粘结在准备好的支撑体6上（利用环氧树脂胶或者502胶），即该支撑体6与柔性多铁材料9的接触面分布在该柔性多铁材料9的底部两端边缘，使该柔性多铁材料9以该接触面为支撑形成悬空式结构，并在顶电极3和底电极1两端引出电极，即得到如图6所示的柔性多铁性器件。
当对上述制得的柔性多铁性器件施加一个交流磁场时，由于铁磁材料层的磁致伸缩效应，metglas非晶丝产生震动，从而带动柔性铁电基底2的震动，进而由于压电效应，产生一个输出电压。由于这种结构的柔性多铁性器件中支撑体6与柔性多铁材料9的接触面位于柔性多铁材料9的底部边缘，并且该接触面远小于柔性多铁材料9的底部面积，同时以该接触面为支撑，柔性多铁材料9呈悬空状，因此有效避免了柔性多铁材料9的底部束缚，使磁电耦合过程中产生的震动被尽可能放大，从而能够实现较大的磁电耦合效应。
类似图3所示，将上述制得的柔性多铁性器件放入一个亥姆霍兹线圈8中，探测其电压输出，即可用来做磁传感器。在工作状态时，外界施加的偏置场会使磁电耦合的大小发生变化，导致在一定的输入电压下，输出电压发生变化，从而实现对磁场的灵敏探测。
类似图4所示，当对上述制得的柔性多铁性器件加入某个频率的振动，即可以构成能量收集器件。在工作状态时，外加振动可以影响该柔性多铁性器件的振动频率，导致铁电材料的输出发生变化，从而实现能量的收集。
通过磁电耦合测试***测试上述制备得到的柔性多铁性器件，结果类似图5所示，可以看出，该柔性多铁性器件具有较大的磁电耦合效应，并且这种磁电耦合效应对外加偏置场以及频率等外在条件非常敏感，能够用于微弱磁场探测。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：包括柔性多铁材料，以及与柔性多铁材料底部相接触连接、用于支撑该柔性多铁材料的支撑体；所述的柔性多铁材料具有磁电耦合效应；所述的支撑体与柔性多铁材料的接触面分布在该柔性多铁材料的底部边缘，并且所述的柔性多铁材料以该接触面为支撑呈悬空状。
2.根据权利要求1所述的具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：所述的柔性多铁材料包括单相多铁材料与复合型多铁材料。
3.根据权利要求1所述的具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：所述的柔性多铁材料为复合型多铁材料时，其结构自下而上依次为：底电极层、柔性铁电基底层、顶电极层、磁性材料层。
4.根据权利要求1所述的具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：所述的柔性多铁材料为复合型多铁材料时，其结构自下而上依次为：底端磁性材料层、底电极层、柔性铁电基底层、顶电极层、顶端磁性材料层。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：所述的支撑体与柔性多铁材料的接触面是闭合的环状结构，或者是由n个彼此独立、无交叠的子接触面组成的整体，所述的n≥2。
6.根据权利要求5所述的具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：所述的环状结构包括圆环结构、椭圆环结构、中空的N边形结构，所述的N≥3。
7.根据权利要求5所述的具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：所述的子接触面形状包括N边形结构，所述的N≥3。
8.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的具有大磁电耦合效应的柔性多铁性器件，其特征是：所述的支撑体采用非磁性材料构成，包括玻璃、塑料、橡胶中的一种或两种的混合物。
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