多鐵性磁電器件研究進展?

俞斌 胡忠強 程宇心 彭斌 周子堯 劉明

(西安交通大學電子與信息工程學院,電子陶瓷與器件教育部重點實驗室與國際電介質研究中心,西安 710049)(2018年5月1日收到;2018年5月29日收到修改稿)

1 引 言

多鐵性材料在多功能電子器件中具有巨大的應用潛力,引起了人們的廣泛關注[1?4].多鐵性材料同時具備包括(反)鐵電性、(反)鐵磁性和(反)鐵彈性等在內的兩種或者兩種以上的鐵序,并且不同鐵序之間可以相互耦合,從而實現不同序參量之間的相互調控,如圖1所示[5].其中,人們最感興趣的是鐵電性和鐵磁性之間的耦合[6,7],即通過磁電耦合效應實現磁場控制材料的電極化或電場誘導磁有序.

磁電耦合效應是指材料在外加磁場H的作用下產生電極化P響應,或者在外加電場E下產生磁化M響應的性質:

(1)式中α是磁電耦合系數,μ0是真空磁導率.其中電極化對外加磁場的響應定義為正磁電耦合效應,具體表現為在材料上施加磁場來產生電壓輸出.

圖1 鐵性序參量之間的耦合及相互調控示意圖,其中,M是磁化,S是機械應變,P是鐵電極化[5]Fig.1. Schematic illustration of magnetic-elasticelectric couplings in multiferroic materials,in which M is the magnetization,S is the mechanical strain,and P is the ferroelectric polarization[5].

此外還存在逆磁電耦合效應,即磁化對外加電場的響應,這意味著電場可以改變材料磁性.從材料成分來看,多鐵性磁電材料可分為兩種類型:單相[8?13]和復合材料[14?16].單相磁電材料在同一種材料內具有磁電耦合效應,然而其室溫磁電系數常常較弱,很難滿足實際應用的需求,于是人們把更多的目光放在了復合材料上.基于磁電復合材料的室溫磁電耦合性能,可望開發出可調微波器件、能量回收器、磁傳感器、存儲器等[17]器件,如表1所列.隨著磁電復合材料的繼續發展,其在消費電子、工業、國防等領域的應用潛力得到了廣泛認可,人們的研究重點也從前期的理論預測、材料制備和性能研究等,逐漸延伸到材料優化、器件設計與加工等方面[18,19],各種基于磁電耦合效應的新型磁電器件研究取得了一系列重要進展.本文對包括可調電感、可調濾波器、磁電存儲器、磁電能量回收器、磁電傳感器、磁電天線等在內的多種新型磁電器件的發展過程進行回顧,總結各種器件的工作原理及其特點,討論其面臨的挑戰和困難,并對其未來發展做出展望.

表1 不同磁電器件分類[17]Table 1.Dif f erent types of magnetic devices[17].

2 磁電器件

2.1 可調諧電感

電感作為電子電路的三個基本組成部分之一,被廣泛用于電力傳輸、電壓調節、微波和射頻集成電路、通信等各種系統中.大部分可調諧電感器由電磁鐵/永磁體進行磁場調諧,這些電磁鐵/永磁體體積大、能量消耗大、噪音大、使用極不方便,這嚴重限制了它們的應用價值.近些年來,人們致力于開發具有寬調諧性、高質量因數和低能耗的電場可調諧電感器.2009年,Lou等[20]報道了一種靜電可調磁電感器件,由兩層Metglas磁性帶和一個沿厚度方向極化的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電單晶片構成三明治結構的多鐵性復合磁芯,在其上繞制線圈形成電感,如圖2(a)所示.在PZT的極化方向上施加0—12 kV/cm的控制電場,可以觀察到電感值(L)對電場變化顯示出非常強的依賴性.在不同頻率下定義?L/Lmin為電感的可調性,對于100 Hz,100 kHz和5 MHz的工作頻率,電感的最大變化分別約為450%,250%和50%,如圖2(b)所示,而且隨著電感的變化,可調電感器的品質因數也隨著外部電場的增加而顯著提高.高達450%的電感變化值是在當時報道的無源可調諧電感器中最大的電感調諧率,且電感的功耗可以小到忽略不計.這種電感和品質因數的可調性源于多鐵性復合材料磁芯中的強磁電耦合效應,是電場感應的磁導率變化而引起的.值得注意的是,高頻下過大的渦流損耗嚴重限制了電感的工作頻率、品質因數等性能.

圖2 (a)電場可調諧電感示意圖;(b)電感在不同頻率和電場下的可調性[20]Fig.2. (a)Schematic diagram of an electric-f i eldtunable inductor;(b)inductance tunability of the magnetoelectric inductor at dif f erent frequencies and electric f i elds[20].

基于此,Peng等[21]在最近的工作中,設計了用Metglas/PMN-PT(鈮鎂酸鉛)多鐵性復合材料構成的非易失性磁電可調電感器,表現出較大的非易失性可調諧性,在10 kHz和1 MHz下分別達到了250%和120%.其中Metglas磁性帶和PMN-PT壓電單晶片通過樹脂直接粘貼耦合在一起,沒有解決應力傳導效率低下的問題,但是這項研究為實現高功率集成電子、射頻系統的非易失性電可調器件提供了新途徑.Gao等[22]報道了一種含有FeGaB/Al2O3多層膜的集成磁電電感,該器件采用微納加工技術制造,然后轉移到PMN-PT基板上,電感在2—3.5 GHz的范圍內表現出高達100%的可調諧性,可望用于手機、電腦等多種無線信號之間的切換處理,顯示出良好的集成性和應用前景.

2.2 可調諧濾波器

可調濾波器是典型的微波信號處理器,廣泛應用于微波元件和雷達中,以消除無用的微波信號和各類噪聲[23?29].作為收發系統的基本組件之一,對小尺寸、低插損的可調帶通濾波器的需求一直在不斷增長.2008年,Fetisov和Srinivasan[30]首次報道了一種基于鐵磁共振的釔鐵石榴石-鋯鈦酸鉛(YIG-PZT)雙層電場可調諧微波帶通濾波器,該器件在電場為0—3 kV/cm時可獲得125 MHz的頻率調諧范圍,在6.5 GHz時插入損耗為5 dB.該濾波器的中心頻率只有2%的調諧范圍,但是這為可調微波器件的開發提供了全新的思路.Yang等[31]設計和制備了一種新型的釔鐵石榴石/鈮鋅酸鉛·鈦酸鉛(YIG/PZN-PT)異質結構可調帶通濾波器,具有磁場和電場雙調諧性.為了改善帶通濾波器在靜磁波中的高插損問題,器件被設計成了T形微帶結構,在S波段具有0.98—1.64 dB的極低插入損耗,如圖3(a)所示.帶通濾波器通過較小的偏置磁場50—250 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)進行調諧時,中心頻率工作在190—840 MHz,調諧率超過了50%;使用電場進行調諧時,獲得了200 MHz的電場可調諧性,約為工作頻率的10%,如圖3(b)所示.然而,YIG薄膜較低的磁致伸縮系數,極大地限制了濾波器可調性能的發揮,加之器件的制備方法,品質因數也有待進一步提高.但是,該器件在小尺寸、低成本和低功耗的可調微波濾波器中還是顯示出了巨大的應用前景.最近,Lin等[32]報道了一個集成的磁場和電場雙可調諧帶通濾波器,其磁電相是由旋轉噴涂技術制備的NiZn鐵氧體薄膜[33,34],并用微納制造工藝在Si晶片上構建帶通濾波器,然后將器件轉移到PMN-PT單晶襯底上進行電場調諧,獲得了1.5 GHz的磁場可調性和220 MHz的電場可調性.然而,由于耦合方式的原因,該器件的插入損耗高達10 dB.通過測試結果可以發現,如果使用磁性薄膜直接生長在壓電體表面,可以得到更強的磁電耦合效應,預計將獲得更大的可調諧性.

圖3 (a)一種可調帶通濾波器的結構示意圖;(b)帶通濾波器的中心頻率隨電場和磁場的變化[31]Fig.3.(a)Schematic of a magnetoelectric band-pass f i lter;(b)center frequency of the band-pass f i lter as functions of electric f i eld and magnetic f i eld[31].

微波可調帶阻濾波器可用作現代通信系統子系統的重構,占有非常重要的位置.磁性材料和傳輸線的結合被廣泛用于構成帶阻濾波器[35?39],然而,這些磁場調諧器件為達到正常工作狀態通常需要較大的調諧功率,限制了它們在便攜式通信系統中的應用.Pettiford等[40]研究了YIG/PZT雙層復合材料,并制備了裝載在傳輸線中磁電異質結構的帶阻濾波器.YIG/PZT疊層被放置在微帶和地平面之間,如圖4(a)所示,由于鐵磁共振效應,YIG薄膜能夠在諧振頻率下吸收窄帶功率.沿微波傳播方向或微帶長度方向施加偏置磁場,實現YIG/PZT疊層結構中鐵磁共振頻率的電壓調諧,從而形成電壓可調的帶阻濾波器,其電場的可調諧范圍約為40 MHz,在5 GHz時具有約15 dB的峰值衰減,如圖4(b)所示.最近,Yang等[41]報道了使用磁控濺射法制備的FeGaB/Al2O3多層膜可調帶阻濾波器的原型.與具有相同厚度的單層膜相比,多層結構表現出較低的矯頑場和射頻損耗.濾波器的中心頻率可以在較低的偏磁場下從4.50 GHz轉換到7.08 GHz,這相當于超過了55%的可調諧性.同時,插入損耗最小僅為0.5 dB,對基于磁性金屬薄膜的微波器件而言相當小,可望成為低損耗射頻應用的理想選擇.

圖4 (a)原理示意圖;(b)帶阻濾波器的正向傳輸系數S21,在±7.2 kV/cm電場下可以實現約40 MHz的電調諧[40]Fig.4.(a)Schematic diagram of a tunable band-stop f i lter;(b)the forward transmission coefficient S21of the band-stop f i lter,which achieves an electrical tuning of approximately 40 MHz at±7.2 kV/cm[40].

2.3 磁電存儲器

現有的基于晶體管的隨機存儲器,如靜態隨機存儲器和動態隨機存儲器都是易失性的,即當存儲器未供電時其中的數據將丟失,因此,大量的功耗要用于保持空閑存儲器單元中的數據.隨著芯片上晶體管數量的不斷增加,這種待機功耗也急劇增加,極大地限制了存儲芯片的進一步小型化和集成化[42].世界各國正投入巨資研發新型非易失性隨機存儲器技術,主要包括鐵電存儲器、相變存儲器、阻變存儲器和自旋磁隨機存儲器等[43,44].其中,磁隨機存儲器是最具產業化前景的下一代新型非易失性存儲器之一.該存儲器采用磁性隧道結作為基本存儲單元以及全新的自旋量子調控物理機理,利用電子自旋調控磁矩取向來進行存儲,具有體積小、功耗低、訪問速度快、非易失性、近無限次讀/寫操作和抗輻射能力強等優點,特別適合空間科學技術和特殊領域的應用[45,46].此外,它有可能作為中央處理單元的高速緩沖存儲器,或用于永久性數據存儲.現有的磁隨機存儲器技術中,由非磁性層分隔開了兩個磁性層,其中一層的磁化可以被極化電流引起的自旋轉移力矩(STT)翻轉180?[47,48],分別引起反平行和平行磁化相對應高電阻和低電阻兩種磁阻狀態[49,50].然而,寫入電流產生的大量熱損耗是限制磁隨機存儲器存儲密度的主要障礙.

在多鐵性磁電材料中,磁化和極化的共存與耦合使得單個存儲單元可以實現多種邏輯狀態,從而顯著提高存儲密度[51?55].同時,結合鐵電、磁隨機存儲器各自的優勢,可望制備新型電寫磁讀的非易失性隨機存儲器,即磁電隨機存儲器(MeRAM)[56].這種技術將提供更高的存儲密度,有效降低功耗,并改善器件的熱穩定性.該存儲器可以將基于各向異性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)效應的層狀磁阻元件集成在多鐵性材料或壓電/鐵電層(FE)上[51,55,57?62],通過電場而不是電磁鐵產生的磁場來控制磁阻,其設計原理如圖5所示[51].Hu等[51]使用相場模擬,實現了基于納米結構的高性能磁阻隨機存儲器(MRAM),器件可實現高達88 Gb/inch2的超高存儲密度,功耗低至0.16 fJ/bit,在室溫下的讀寫速度低于10 ns,且可以和互補金屬氧化物半導體(CMOS)制造工藝完美兼容.該器件為探索具有超低功耗、可室溫操作和超高存儲容量等優秀屬性的存儲器提供了一種新途徑.在實驗方面,Bibes課題組[55]和Ramesh課題組[63]分別報道了多種新型MeRAM材料和原型器件,該類器件的原理相似,即把多鐵性材料層(由鐵電和反鐵磁相組成)中的磁電耦合和反鐵磁層與鐵磁層之間的界面交換偏置相結合,通過電壓控制改變磁化的開關狀態,實現磁化的確定性180?的可逆翻轉.其中,二進制信息通過底部鐵磁層的磁化方向進行存儲,通過三層鐵磁層的電阻讀取,并通過在多鐵性材料層(鐵電-反鐵磁層,FE-AFM)上施加電壓來寫入.

圖5 幾種電場調控磁阻器件的設計原理圖 (a)STT-MRAM;(b)GMR或TMR型MeRAM;(c)AMR型MeRAM;(d)基于Ni-PMN-PT異質結構的AMR型MeRAM中電阻率變化的滯回曲線[51]Fig.5.Schematics of the bit cell design for:(a)STT-MRAM;(b)GMR or TMR-type MeRAM;(c)AMR-type MeRAM;(d)hysteric loop of resistance change versus voltage in an AMR-type MeRAM[51].

MeRAM的難點在于實現電場控制的磁化180?可逆翻轉.一方面,這種完全的磁化翻轉將增強磁阻層的電阻變化率,實現更高的信噪比;另一方面,這將顯著提高MeRAM的可靠性,因為磁化翻轉發生在納米磁結構的一個磁易軸的兩個磁化方向之間,在180?磁化翻轉的情況下,即使壓電層的應力完全松弛時,磁化開關狀態也會保持穩定.Heron等[64]在室溫下通過電場控制多鐵性/鐵磁性(BiFeO3/CoFe)異質結構中的交換偏置,實現了非易失性的180?磁化可逆翻轉.文獻[65,66]在反鐵磁/鐵磁/鐵電(FeMn/NiFe/FeGaB/PZN-PT)異質結中通過電場控制交換偏置和矯頑場,證明了兩種類型的動態磁化開關,實現了180?磁化翻轉,采用磁脈沖解決了異質結中180?磁化翻轉附近引起的電場的不可逆性,并實現了磁化的連續翻轉.文獻[67—69]通過利用平面壓電材料和多鐵性異質結構的磁性形狀各向異性來完成電場控制的180?磁化翻轉.

除了這些基于電場翻轉磁矩改變電阻狀態的MeRAM,最近,中國科學院物理研究所的孫陽等[70?75]報道了基于電場調控磁電耦合系數的狀態實現的新型非易失存儲器,具有結構簡單、并行讀取等優點.他們提出了一種新穎的轉換隨機存取存儲器的存儲模式,直接將磁電電壓系數作為信息存儲的物理量.具體實現方式是使用溶膠-凝膠技術在Metglas基底上制備聚偏氟乙烯鐵電P(VDFTrFE)薄膜以形成多鐵性異質結構,通過施加電場脈沖,將異質結構的磁電電壓系數在正值和負值的不同狀態之間進行可重復翻轉,從而實現存儲功能[70].這些工作證實了多鐵性磁電復合材料在開發下一代低功耗、非易失性、高密度隨機存儲器技術方面的巨大潛力,有望推動MeRAM的進一步發展.

2.4 能量回收器

日常生活中的風、光、振動、聲音、射頻微波、溫度梯度等能量,均可用于能量采集和回收.在某些特定應用場景中,能量回收器不僅可以解決傳統電池價格昂貴且更換操作繁瑣的局限性,還能提高設備的使用壽命.例如,使用無線充電裝置對心臟起搏器等體內醫療輔助設備進行無線充電等.在過去的十年中,一些課題組[76?88]致力于利用磁電復合材料從微弱的磁場中回收電能的研究.將磁電復合材料置于交流磁場中時,復合材料中的磁致伸縮層產生機械振動,致使壓電層形變,從而在相連的負載兩端產生電壓.另一方面,磁電復合材料中存在壓電相,施加到復合材料上的任何機械振動都會使壓電材料直接產生電壓輸出.因此,磁電能量回收器可同時收集來自外部磁場和振動的能量[76].

通過選擇高性能的壓電和磁致伸縮材料并進行復合結構的優化,可以使磁電能量回收器從低頻磁場獲得較高的電功率密度.早期,Dong等[89]使用FeBSiC合金帶與PZT壓電層設計了一種推拉式、懸臂梁結構的磁電能量回收器原型,如圖6(a)所示.在頻率為21 kHz,1 Oe的交流磁場下,負載50 k?可獲得420μW/Oe的輸出功率,輸出功率密度估算為2.1 mW/(Oe·cm3),如圖6(b)所示.在1 g的振動加速度下以40 Hz的彎曲共振頻率進行測量,負載3 M?的輸出功率密度為400μW/(g·cm3).當器件同時收集磁能和機械能時,在2 Oe的磁場和50 mg加速度的機械振動下輸出電壓可達8 VP.P.然而,單一的對磁場能量進行收集時,這種高頻率下的雜散磁場的來源并不多,從而限制了器件的使用,在組合響應時,輸出功率密度也降低不少.但是,器件在單一模式下的輸出功率密度對比同時期其他類型的能量回收器處于較高水平,而且作為一種同時從雜散磁能和機械能中采集能量的多模式能量收集系統,為以后的磁電能量回收器件設計奠定了基礎.隨后,Dai等[90]設計了另一種具有懸臂梁結構的磁電能量回收器,使用Terfenol-D/PZT/Terfenol-D層狀磁電復合材料結構,器件主要將環境中機械振動的能量轉換為電能,在諧振頻率為51 Hz,加速度為1 g的機械振動下,測得輸出功率為2.11 mW.在此基礎上,Gao等[91]報道了具有多重推拉結構的非對稱雙層Metglas/PZT磁電能量回收器原型,在實際測量中大大提高了磁電耦合系數,并且共振頻率可以在60—220 Hz的范圍內進行調諧,負載6 M?電阻,在60 Hz的頻率下,最大輸出功率約為16μW/Oe,對應的功率密度為200μW/cm3.Cho等[92]在30 Hz的共振頻率下,將最大輸出功率和功率密度分別提高到52.5 mW和28.5 mW/cm3.

圖6 (a)磁電復合層與能量回收器結構示意圖及實物圖;(b)外界磁場引起的磁電電壓與輸出功率關系圖[89];(c)基于PZT/FeGa薄膜的磁電能量回收器的掃描電子顯微鏡照片;(d)該微型能量回收器的電壓與功率輸出性能[94]Fig.6.(a)Layered structure of the magnetoelectric composite and the energy harvester;(b)magnetoelectric voltage and power output of the energy harvester shown in(a)[89];(c)scanning electron micrograph image of a thin f i lm magnetoelectric energy harvester based on PZT/FeGa;(d)voltage and power output of the energy harvester shown in(c)[94].

最近,Ryu等[93]報道了一種用柔性壓電PMN-PT纖維復合材料和Ni金屬層及Nd永磁體構建的磁電能量回收器,由于Ni的固有性質,即使沒有偏置磁場,磁電復合層也具有較強的磁電耦合系數,并可以在微弱磁場環境中產生線性應變響應.實驗中測得器件在60 Hz,160μT弱交流磁場下的輸出功率密度可達46 mW/(cm3·Oe2),如此高的輸出功率密度使該器件在60 Hz,500μT的磁場下,可以在3 min內為220μF的電容器充滿電.利用電容器中存儲的電能,該器件成功點亮了35個商用高強度發光二極管,開/關頻率約為1 Hz,還可以在700μT磁場條件下驅動無線傳感器網絡模塊.這種原型器件收集了真空泵電源線附件的寄生能量,大大提高了器件的實際應用價值.采用柔性壓電材料具有更多靈活性,在懸臂結構中實現了超低的共振頻率,同時提升了器件的耐久性和應用范圍.

為了克服塊體復合材料各相之間界面缺陷導致的力、電、磁能量轉換效率低下、渦流損耗較高、品質因數較低等缺點,研究人員對基于磁電復合薄膜材料的能量回收器也做了大量的工作.Onuta等[94]設計了Si懸臂梁薄膜型磁電能量回收器,如圖6(c)所示,器件采用氧化硅/氮化硅/氧化物堆疊(3.8μm厚)的硅懸臂梁結構.將磁致伸縮層FeGa薄膜(500 nm厚)濺射在以Pt緩沖的PZT壓電層(500 nm厚)上,并且采用光刻工藝來制造懸臂梁結構,將包含六個懸臂裝置的芯片放置在一對亥姆霍茲線圈之間的真空室中,并將其平行放置于磁場中.在諧振頻率3.8 kHz,1 Oe的磁場下測得負載12.5 k?處的峰值功率密度為0.7 mW/cm3,如圖6(d)所示.

2.5 磁電傳感器

高靈敏度磁場傳感器在汽車、計算機、醫療、計量等領域應用廣泛.其中,超導量子干涉儀作為最靈敏的磁場傳感器之一,在4 K的超低溫時,最高靈敏度可以達到10?15T/Hz1/2.但是,這種超高的靈敏度只有在屏蔽效果極佳的室內且需要極低的工作溫度才能實現[95?97].另一類比較重要的磁場傳感器是磁阻效應傳感器[98],但是其室溫靈敏度僅為4×10?10T/Hz1/2,且熱噪聲和激勵噪聲限制了它們的使用.基于多鐵性磁電復合材料的磁場傳感器,因具有較高的室溫靈敏度、較低的成本和較小的尺寸,被認為是最有潛力的下一代磁場傳感器之一[99].磁電復合材料對直流或交流磁場都很敏感,所以能響應外界磁場變化并輸出電壓信號,實現磁傳感功能.Dong等[100]率先開發了由PMN-PT壓電層和Terfenol-D磁致伸縮層構成的三層推拉式疊層結構磁電傳感器,通過壓電層中圍繞中心線的對稱極化來優化磁致伸縮層和壓電層之間的相互作用,使磁電電壓系數顯著增加,諧振時達到20 V/Oe,并在室溫和諧振條件下測得高達10?12T的低頻磁場靈敏度.在此基礎上,Zhai等[101]將這種疊層結構進行改進,使磁電傳感器探測低頻的頻率范圍拓寬到10?2—103Hz,在室溫下仍可保持10?12T的靈敏度,并且顯著提高了噪聲抑制能力.

磁場傳感器能否得到廣泛應用不僅取決于對外加磁場的響應能力,還取決于對外界噪聲的響應[102].制備同時具有低等效磁噪聲和高磁電電壓系數的磁電復合材料及其磁電傳感器具有一定的挑戰性.Wang等[103]報道了使用Metglas和壓電纖維構成的磁電傳感器,通過顯著的磁電耦合效應和減少內部噪聲源的方法實現了極低的等效磁噪聲,磁電電壓系數在低頻時可達52 V/(cm·Oe),1 Hz頻率下的等效磁噪聲為5.1 pT/Hz1/2,比相關報道的低頻(f<10 Hz)等效磁噪聲20 pT/Hz1/2[104,105],降低了近1/4,且磁場靈敏度可達10?11T.在同樣以Metglas作為磁致伸縮層的體系中,Fang等[106]報道了具有面內串聯結構的Metglas和Mn摻雜PMN-PT層狀磁電復合材料,在室溫下30 Hz時測得低至0.87 pT/Hz1/2的等效磁噪聲,進一步推動了磁電傳感器的發展.

以上幾種磁電傳感器均基于塊體材料,為提高磁電耦合系數和對外界磁場的響應,器件的最小面積約為幾個平方厘米.而基于微納加工技術制造的集成磁電傳感器也可以具有高靈敏度和高分辨率,并兼具小型化、低成本的特點,還提供了與其他電路元件集成構造傳感器陣列的設計功能.Lage等[107]報道了在硅懸臂基底上用磁控濺射制造的磁電薄膜結構,復合材料由AlN壓電薄膜和Ta/Cu/MnIr/FeCo或Ta/Cu/MnIr/FeCoSiB多層膜作為磁致伸縮層組成.由于在納米尺度上的界面處結合非常緊密,因此,磁場誘導應變可以有效地轉移到AlN薄膜上,使磁電電壓系數在諧振頻率1197 Hz處超過了100 V/(cm·Oe),這已經接近了10?3Hz以下的理想頻率范圍.尤其是通過利用反鐵磁和鐵磁之間的交換偏置場作為內建的直流偏置磁場,可以在零外加偏壓磁場下獲得高達96.7 V/(cm·Oe)的磁電電壓系數,這有利于使傳感器實現較低的噪聲水平和較高的分辨率.將該傳感器與低噪聲電荷放大器相結合,可獲得5.7 V/mT的響應度,66 pT/Hz1/2的噪聲水平和10 pT/Hz1/2的高靈敏度.最近,Nan等[108]設計了一種基于AlN/(FeGaB/Al2O3)微納機電系統諧振器的自偏置磁電傳感器,如圖7(a)所示.通過測量磁電傳感器導納的直流磁場依賴性,實現了傳感器探測磁場的新機理.在零偏置磁場、215 MHz的共振頻率下,實現了非屏蔽環境中高達300 pT的直流磁場探測靈敏度.這種超小型化、高靈敏度的自偏置納機電系統磁電傳感器與CMOS技術相結合,可以構成一種新型、緊湊和超靈敏的磁強計.

圖7 (a)納機電磁場傳感器的示意圖(直流磁場施加在傳感器的長度方向)及其靈敏度和線性度[108];(b)環型電流傳感器的示意圖及從傳感器輸出的交流電壓測試圖[109]Fig.7.(a)Schematic and sensitivity of the nano-electromechanical system magnetic f i eld sensor[108];(b)schematic diagram of the performance of the ring-type electric current sensor[109].

磁電傳感器不僅可以探測低頻磁場,還可以用作電流傳感器來直接檢測電流.傳統的電流傳感器是通過檢測電流產生的磁場來工作,一般用霍爾器件和磁阻器件來探測.霍爾器件需要穩定性較高的恒流源進行供電,其自身固有的弱霍爾電壓(5—40μV/Oe)對信號提取部分提出了很高的要求.磁阻器件需要與高精度的積分器連接,并且在低頻(100 Hz)下的測量通常會受到抑制.相比之下,基于磁電復合材料的電流傳感器屬于無源器件,并且在低頻下也具有較高的靈敏度.理論上,傳輸交流或直流電流的導線將根據安培定律在其周圍激發交流或直流磁場.磁場的強度取決于導線中的電流、導線的電阻以及與導線的距離等,因此,環型磁電異質結成為了電流傳感器的基本結構.Leung等[109]報道了一個環形電流傳感器,如圖7(b)所示,該傳感器基于環形磁電層狀異質結而設計,由兩個周向磁化的Terfenol-D/NdFeB磁致伸縮復合材料環及夾在中間的軸向極化的PZT壓電陶瓷環組成,在實驗中測得輸出電壓對電流具有良好的線性響應.該電流傳感器在1 Hz—30 kHz的頻率范圍內表現出12.6 mV/A的高靈敏度,在67 kHz的共振頻率下測得92.2 mV/A的靈敏度.Lu等[110]在測量50 Hz的低頻交變磁場時,在Metglas/PZT構成的磁電電流傳感器中觀察到優異的線性響應度和高達114.2 mV/A的電流靈敏度.Zhang等[111]通過將磁電復合材料環與壓電變壓器相結合的結構,在62 kHz的機電諧振頻率下實現了157 mV/A的超高靈敏度.這些磁電電流傳感器具有無功率、零偏置、寬帶寬和高靈敏度等特性,在實時監控有載流電纜或導體的工程系統中擁有巨大應用潛力.

2.6 磁電天線

隨著無線通信技術的不斷發展,尤其是移動通信系統需求的持續加大,設計和制造高頻段、低成本、小體積的微波器件已成為通信系統發展的關鍵問題.作為無線通信系統中非常重要的無源元件,具有良好增益和帶寬的微型天線在工業界和學術界都備受關注[112],為了制造適合于較長波長、較低頻段的微型天線,在早期的研究中提出了一些減小天線尺寸的設計方法[113,114].第一種方法是使用電容、電感負載或曲折線獲得慢波共振,其主要缺點是增加了歐姆損耗,并使帶寬變窄;第二種方法是使用介電材料來減小結構尺寸,但這很容易激發表面波和降低天線效率.基于此,Petrov等[115]使用鎳鋅鐵氧體(NZFO)和鈦酸鍶鉍(BST)構成的磁電復合材料,制作了工作頻率為100 MHz的小型化半波長諧振微帶天線,并分析了電場對阻抗匹配、帶寬和效率的影響.這種天線的直徑為22 cm,厚度為0.85 cm,用矢量網絡分析儀在共振時測量的駐波比接近1.3,表明與自由空間具有良好的阻抗匹配,天線的襯底和周圍介質之間的邊界處沒有反射,并減少了襯底中吸收的能量.Bae等[116,117]采用Co2Z型六方鐵氧體和鐵氧體基板制作了螺旋天線,測量天線10 dB處的諧振頻率和帶寬分別為195 MHz和27 MHz,以及209 MHz和41 MHz.同樣在Co/Ti摻雜的襯底(45 mm×11 mm×3.8 mm)上制作的螺旋天線,諧振頻率從201 MHz增加到231 MHz[118].

可以看出,傳統上默認的天線應用中的磁性材料是鐵氧體[119,120],然而,這些鐵氧體天線基板在MHz及GHz頻段的損耗較大,且基板中的鐵氧體材料需要較大的偏置磁場,極大地限制了其頻段范圍.因此,亟需采用新方法來減小天線的尺寸、增強帶寬、提高效率.微帶天線的小型化可以通過在高介電常數基板上印刷貼片天線來實現,但是,天線與接地層之間的強電容耦合嚴重影響其效率和帶寬.為了克服這個問題,需要使用具有相對磁導率大于1的天線基板[120,121],而在GHz范圍內尋找高磁導率和低損耗的自偏置磁性材料一直具有挑戰性.金屬磁性膜具有高達24 kG(1 G=10?4T)的高飽和磁化強度值和幾個GHz的自偏壓鐵磁共振頻率[122,123],還具有與鐵氧體相當的鐵磁諧振線寬,可以實現高達幾個GHz工作頻率的自偏置磁貼片天線.Sun等[124]報道了具有金屬磁性膜的新型電可調諧磁貼片天線,測試工作頻率為2.1 GHz,磁性貼片天線與非磁性貼片天線相比帶寬增加了50%,且方向性顯著增強,在施加20 Oe以下的低磁場下,輻射強度可調最大值為4.23 dB.Yang等[125?129]引入金屬磁性膜和自偏置鐵氧體膜作為一種可以實現天線小型化、增強帶寬和增加諧振頻率可調性的手段,設計了具有金屬磁性膜和自偏置NiCo鐵氧體膜的新型天線.該磁性貼片天線在2.1 GHz的頻率范圍內具有5—10 MHz(帶有金屬磁性膜)和7—23 MHz(帶有自偏置鐵氧體膜)的諧振頻率調諧范圍.還設計了NiCo鐵氧體薄膜負載環形天線,可以在1.7 GHz的頻率下工作,諧振頻率調諧范圍為3—20 MHz.這種工作于GHz頻段的電可調諧自偏置磁性貼片天線是首次報道,并使用磁控濺射等大規模、低成本的制造技術,具有重要的實用價值.使用貼片天線加載單層和多層自偏置鐵氧體薄膜進行頻率的調諧,在天線的中心諧振頻率2.1 GHz處測量,發現中心頻率可以在12—40 MHz的范圍內進行調諧,并且天線效率從非磁性天線的41%增加到最高74%,單向輻射方向性顯著增強,天線增益最高增加1.1 dB.

圖8 磁電天線結構示意圖及性能測試圖[130]Fig.8.Structure and the performance of the magnetoelectric antenna[130].

以上這些小型化天線的尺寸一般在厘米量級,但是進一步將尺寸縮小到微、納米級別、用于集成無線通訊系統仍然十分困難.最近,Nan等[130]提出了一種以聲學共振頻率接收和發射電磁波的新型天線理論,并制備了工作頻率為甚高頻(30—300 MHz)和超高頻(0.3—3 GHz)的兩種微型天線結構,如圖8所示.這種天線以AlN/FeGaB磁電復合薄膜為基本材料,制備了納米平板諧振器和薄膜體聲波諧振器兩種不同的諧振結構,并且均實現了電磁波發射和接收功能.在接收過程中,磁電天線的磁性層測量電磁波的磁場分量,磁場引起磁性層產生形變使壓電層輸出電壓.相反,在發射過程中,壓電層在交流電壓輸入下產生振蕩機械形變,形變激勵磁性層產生磁化振蕩并輻射電磁波.因此,這些磁電天線在其聲學諧振頻率而不是電磁諧振頻率下工作,由于聲波波長比相同頻率下的電磁波長短五個數量級,所以這些磁電天線具有與聲波波長相當的尺寸,而只有相對應的電磁波長的千分之一,比現有的小型化天線降低了1—2個數量級,且性能保持良好.這類新型磁電天線在便攜式無線通信系統中具有巨大的應用潛力.

3 總結與展望

近年來,多鐵性材料與磁電耦合效應的器件應用研究越來越受重視.磁電器件的最大優勢在于可以使用電場取代磁場對磁性器件的性能進行連續、可逆調控,以取代體積大、重量大的電磁線圈、永磁鐵等部件,實現結構緊湊、重量輕、響應快、噪音小、高效節能等優異性能.這些優勢已經在一些原型器件中得到了證實,如可調諧射頻/微波器件、存儲器件、傳感器等.但是,目前磁電器件研究及其實際應用仍面臨巨大的挑戰.

1)材料組合:為了實現更強的電控磁效應,選擇具有更好性能的壓電材料和磁致伸縮材料并進行適當組合十分重要.例如,廣泛使用的微波磁性材料YIG具有極低的高頻損耗,然而其自身飽和磁致伸縮系數僅為1—2 ppm,導致使用YIG的磁電復合材料只具有較弱的磁電耦合.相對而言,尖晶石家族的飽和磁致伸縮系數超過石榴石一個數量級,如果通過高質量外延和晶格調控等手段獲得低損耗尖晶石材料,并與壓電材料進行高質量結合,將可能制備出具有較高電場調諧率的濾波器、電感等微波信號處理器.

2)器件仿真:由于壓電效應和磁致伸縮效應涉及不同的材料體系和物理機理,尚沒有完善的針對磁電耦合效應的模擬仿真技術,目前采用的近似方法都存在一定的局限性,這對磁電器件特別是微波濾波器和天線的設計、建模都是一個重大的挑戰.

3)性能優化:多種磁電器件的性能仍有待增強.例如,自偏置多層磁電納米結構中實現了對于低頻磁場檢測靈敏度達到pT量級,如能進一步將低頻磁場靈敏度提高到fT量級,將使其具有與超導量子儀磁傳感器相等的靈敏度.可能的途徑包括增強正磁電耦合、降低噪音水平等技術.此外,單相材料的可靠性問題可能轉移到基于復合材料的磁電器件上,如疲勞、擊穿、二次電子發射等.因此,磁電器件的可靠性有待在實際使用中接受評估.

4)集成技術:目前大多數的磁電器件通過將磁性相和鐵電相材料用環氧樹脂膠黏結在一起構成,這樣器件的尺寸較大且可能降低機械應力的傳遞效率.而對于磁電薄膜材料,其磁電耦合較弱,襯底夾持效應仍然制約器件的性能.開發磁電器件的集成技術,可從以下幾個方面入手:一是開發新型高壓電系數、高品質因子的壓電薄膜和低損耗、高磁致伸縮系數的鐵磁薄膜材料;二是開發新的襯底刻蝕/溶解技術,減小襯底夾持效應的影響;三是采用新的電控磁原理,如最近發展的利用離子液體/膠體實現電場調控磁性等[131,132]技術.