俞斌 胡忠強 程宇心 彭斌 周子堯 劉明

(西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,電子陶瓷與器件教育部重點實驗室與國際電介質(zhì)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(yīng)用潛力,引起了人們的廣泛關(guān)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(nèi)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(xiàn)不同序參量之間的相互調(diào)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(yīng)實現(xiàn)磁場控制材料的電極化或電場誘導(dǎo)磁有序.

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

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

圖1 鐵性序參量之間的耦合及相互調(diào)控示意圖,其中,M是磁化,S是機械應(yīng)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(yīng),即磁化對外加電場的響應(yīng),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(fù)合材料[14?16].單相磁電材料在同一種材料內(nèi)具有磁電耦合效應(yīng),然而其室溫磁電系數(shù)常常較弱,很難滿足實際應(yīng)用的需求,于是人們把更多的目光放在了復(fù)合材料上.基于磁電復(fù)合材料的室溫磁電耦合性能,可望開發(fā)出可調(diào)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(fù)合材料的繼續(xù)發(fā)展,其在消費電子、工業(yè)、國防等領(lǐng)域的應(yīng)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(yù)測、材料制備和性能研究等,逐漸延伸到材料優(yōu)化、器件設(shè)計與加工等方面[18,19],各種基于磁電耦合效應(yīng)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(diào)電感、可調(diào)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(nèi)的多種新型磁電器件的發(fā)展過程進行回顧,總結(jié)各種器件的工作原理及其特點,討論其面臨的挑戰(zhàn)和困難,并對其未來發(fā)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(diào)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(diào)節(jié)、微波和射頻集成電路、通信等各種系統(tǒng)中.大部分可調(diào)諧電感器由電磁鐵/永磁體進行磁場調(diào)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(yán)重限制了它們的應(yīng)用價值.近些年來,人們致力于開發(fā)具有寬調(diào)諧性、高質(zhì)量因數(shù)和低能耗的電場可調(diào)諧電感器.2009年,Lou等[20]報道了一種靜電可調(diào)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(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)的多鐵性復(fù)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(diào)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(diào)電感器的品質(zhì)因數(shù)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(dāng)時報道的無源可調(diào)諧電感器中最大的電感調(diào)諧率,且電感的功耗可以小到忽略不計.這種電感和品質(zhì)因數(shù)的可調(diào)性源于多鐵性復(fù)合材料磁芯中的強磁電耦合效應(yīng),是電場感應(yīng)的磁導(dǎo)率變化而引起的.值得注意的是,高頻下過大的渦流損耗嚴(yán)重限制了電感的工作頻率、品質(zhì)因數(shù)等性能.

圖2 (a)電場可調(diào)諧電感示意圖;(b)電感在不同頻率和電場下的可調(diào)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(shè)計了用Metglas/PMN-PT(鈮鎂酸鉛)多鐵性復(fù)合材料構(gòu)成的非易失性磁電可調(diào)電感器,表現(xiàn)出較大的非易失性可調(diào)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(yīng)力傳導(dǎo)效率低下的問題,但是這項研究為實現(xiàn)高功率集成電子、射頻系統(tǒng)的非易失性電可調(diào)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(shù)制造,然后轉(zhuǎn)移到PMN-PT基板上,電感在2—3.5 GHz的范圍內(nèi)表現(xiàn)出高達100%的可調(diào)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(yīng)用前景.

2.2 可調(diào)諧濾波器

可調(diào)濾波器是典型的微波信號處理器,廣泛應(yīng)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(fā)系統(tǒng)的基本組件之一,對小尺寸、低插損的可調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)諧范圍,但是這為可調(diào)微波器件的開發(fā)提供了全新的思路.Yang等[31]設(shè)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(zhì)結(jié)構(gòu)可調(diào)帶通濾波器,具有磁場和電場雙調(diào)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(shè)計成了T形微帶結(jié)構(gòu),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(diào)諧時,中心頻率工作在190—840 MHz,調(diào)諧率超過了50%;使用電場進行調(diào)諧時,獲得了200 MHz的電場可調(diào)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(shù),極大地限制了濾波器可調(diào)性能的發(fā)揮,加之器件的制備方法,品質(zhì)因數(shù)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(diào)微波濾波器中還是顯示出了巨大的應(yīng)用前景.最近,Lin等[32]報道了一個集成的磁場和電場雙可調(diào)諧帶通濾波器,其磁電相是由旋轉(zhuǎn)噴涂技術(shù)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(gòu)建帶通濾波器,然后將器件轉(zhuǎn)移到PMN-PT單晶襯底上進行電場調(diào)諧,獲得了1.5 GHz的磁場可調(diào)性和220 MHz的電場可調(diào)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(jié)果可以發(fā)現(xiàn),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(yīng),預(yù)計將獲得更大的可調(diào)諧性.

圖3 (a)一種可調(diào)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)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(diào)帶阻濾波器可用作現(xiàn)代通信系統(tǒng)子系統(tǒng)的重構(gòu),占有非常重要的位置.磁性材料和傳輸線的結(jié)合被廣泛用于構(gòu)成帶阻濾波器[35?39],然而,這些磁場調(diào)諧器件為達到正常工作狀態(tài)通常需要較大的調(diào)諧功率,限制了它們在便攜式通信系統(tǒng)中的應(yīng)用.Pettiford等[40]研究了YIG/PZT雙層復(fù)合材料,并制備了裝載在傳輸線中磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng),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(xiàn)YIG/PZT疊層結(jié)構(gòu)中鐵磁共振頻率的電壓調(diào)諧,從而形成電壓可調(diào)的帶阻濾波器,其電場的可調(diào)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(diào)帶阻濾波器的原型.與具有相同厚度的單層膜相比,多層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)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(zhuǎn)換到7.08 GHz,這相當(dāng)于超過了55%的可調(diào)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(dāng)小,可望成為低損耗射頻應(yīng)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(shù)S21,在±7.2 kV/cm電場下可以實現(xiàn)約40 MHz的電調(diào)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(xiàn)有的基于晶體管的隨機存儲器,如靜態(tài)隨機存儲器和動態(tài)隨機存儲器都是易失性的,即當(dāng)存儲器未供電時其中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù).隨著芯片上晶體管數(shù)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(fā)新型非易失性隨機存儲器技術(shù),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(chǎn)業(yè)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(jié)作為基本存儲單元以及全新的自旋量子調(diào)控物理機理,利用電子自旋調(diào)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(yōu)點,特別適合空間科學(xué)技術(shù)和特殊領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)據(jù)存儲.現(xiàn)有的磁隨機存儲器技術(shù)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(zhuǎn)移力矩(STT)翻轉(zhuǎn)180?[47,48],分別引起反平行和平行磁化相對應(yīng)高電阻和低電阻兩種磁阻狀態(tài)[49,50].然而,寫入電流產(chǎn)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(xiàn)多種邏輯狀態(tài),從而顯著提高存儲密度[51?55].同時,結(jié)合鐵電、磁隨機存儲器各自的優(yōu)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(shù)將提供更高的存儲密度,有效降低功耗,并改善器件的熱穩(wěn)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(yīng)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(chǎn)生的磁場來控制磁阻,其設(shè)計原理如圖5所示[51].Hu等[51]使用相場模擬,實現(xiàn)了基于納米結(jié)構(gòu)的高性能磁阻隨機存儲器(MRAM),器件可實現(xiàn)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(dǎo)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(yōu)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(jié)合,通過電壓控制改變磁化的開關(guān)狀態(tài),實現(xiàn)磁化的確定性180?的可逆翻轉(zhuǎn).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(diào)控磁阻器件的設(shè)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(xiàn)電場控制的磁化180?可逆翻轉(zhuǎn).一方面,這種完全的磁化翻轉(zhuǎn)將增強磁阻層的電阻變化率,實現(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)生在納米磁結(jié)構(gòu)的一個磁易軸的兩個磁化方向之間,在180?磁化翻轉(zhuǎn)的情況下,即使壓電層的應(yīng)力完全松弛時,磁化開關(guān)狀態(tài)也會保持穩(wěn)定.Heron等[64]在室溫下通過電場控制多鐵性/鐵磁性(BiFeO3/CoFe)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的交換偏置,實現(xiàn)了非易失性的180?磁化可逆翻轉(zhuǎn).文獻[65,66]在反鐵磁/鐵磁/鐵電(FeMn/NiFe/FeGaB/PZN-PT)異質(zhì)結(jié)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(tài)磁化開關(guān),實現(xiàn)了180?磁化翻轉(zhuǎn),采用磁脈沖解決了異質(zhì)結(jié)中180?磁化翻轉(zhuǎn)附近引起的電場的不可逆性,并實現(xiàn)了磁化的連續(xù)翻轉(zhuǎn).文獻[67—69]通過利用平面壓電材料和多鐵性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁性形狀各向異性來完成電場控制的180?磁化翻轉(zhuǎn).

除了這些基于電場翻轉(zhuǎn)磁矩改變電阻狀態(tài)的MeRAM,最近,中國科學(xué)院物理研究所的孫陽等[70?75]報道了基于電場調(diào)控磁電耦合系數(shù)的狀態(tài)實現(xiàn)的新型非易失存儲器,具有結(jié)構(gòu)簡單、并行讀取等優(yōu)點.他們提出了一種新穎的轉(zhuǎn)換隨機存取存儲器的存儲模式,直接將磁電電壓系數(shù)作為信息存儲的物理量.具體實現(xiàn)方式是使用溶膠-凝膠技術(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu),通過施加電場脈沖,將異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電電壓系數(shù)在正值和負值的不同狀態(tài)之間進行可重復(fù)翻轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)存儲功能[70].這些工作證實了多鐵性磁電復(fù)合材料在開發(fā)下一代低功耗、非易失性、高密度隨機存儲器技術(shù)方面的巨大潛力,有望推動MeRAM的進一步發(fā)展.

2.4 能量回收器

日常生活中的風(fēng)、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(yīng)用場景中,能量回收器不僅可以解決傳統(tǒng)電池價格昂貴且更換操作繁瑣的局限性,還能提高設(shè)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(nèi)醫(yī)療輔助設(shè)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(fù)合材料從微弱的磁場中回收電能的研究.將磁電復(fù)合材料置于交流磁場中時,復(fù)合材料中的磁致伸縮層產(chǎn)生機械振動,致使壓電層形變,從而在相連的負載兩端產(chǎn)生電壓.另一方面,磁電復(fù)合材料中存在壓電相,施加到復(fù)合材料上的任何機械振動都會使壓電材料直接產(chǎn)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(fù)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(shè)計了一種推拉式、懸臂梁結(jié)構(gòu)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(dāng)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(yīng)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(tǒng),為以后的磁電能量回收器件設(shè)計奠定了基礎(chǔ).隨后,Dai等[90]設(shè)計了另一種具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的磁電能量回收器,使用Terfenol-D/PZT/Terfenol-D層狀磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu),器件主要將環(huán)境中機械振動的能量轉(zhuǎn)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(chǔ)上,Gao等[91]報道了具有多重推拉結(jié)構(gòu)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(shù),并且共振頻率可以在60—220 Hz的范圍內(nèi)進行調(diào)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(yīng)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(fù)合層與能量回收器結(jié)構(gòu)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(guān)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(fù)合材料和Ni金屬層及Nd永磁體構(gòu)建的磁電能量回收器,由于Ni的固有性質(zhì),即使沒有偏置磁場,磁電復(fù)合層也具有較強的磁電耦合系數(shù),并可以在微弱磁場環(huán)境中產(chǎn)生線性應(yīng)變響應(yīng).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(nèi)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(fā)光二極管,開/關(guān)頻率約為1 Hz,還可以在700μT磁場條件下驅(qū)動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用價值.采用柔性壓電材料具有更多靈活性,在懸臂結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了超低的共振頻率,同時提升了器件的耐久性和應(yīng)用范圍.

為了克服塊體復(fù)合材料各相之間界面缺陷導(dǎo)致的力、電、磁能量轉(zhuǎn)換效率低下、渦流損耗較高、品質(zhì)因數(shù)較低等缺點,研究人員對基于磁電復(fù)合薄膜材料的能量回收器也做了大量的工作.Onuta等[94]設(shè)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(jié)構(gòu).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(jié)構(gòu),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(yī)療、計量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.其中,超導(dǎo)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(nèi)且需要極低的工作溫度才能實現(xiàn)[95?97].另一類比較重要的磁場傳感器是磁阻效應(yīng)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(fù)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(fù)合材料對直流或交流磁場都很敏感,所以能響應(yīng)外界磁場變化并輸出電壓信號,實現(xiàn)磁傳感功能.Dong等[100]率先開發(fā)了由PMN-PT壓電層和Terfenol-D磁致伸縮層構(gòu)成的三層推拉式疊層結(jié)構(gòu)磁電傳感器,通過壓電層中圍繞中心線的對稱極化來優(yōu)化磁致伸縮層和壓電層之間的相互作用,使磁電電壓系數(shù)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(chǔ)上,Zhai等[101]將這種疊層結(jié)構(gòu)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(yīng)用不僅取決于對外加磁場的響應(yīng)能力,還取決于對外界噪聲的響應(yīng)[102].制備同時具有低等效磁噪聲和高磁電電壓系數(shù)的磁電復(fù)合材料及其磁電傳感器具有一定的挑戰(zhàn)性.Wang等[103]報道了使用Metglas和壓電纖維構(gòu)成的磁電傳感器,通過顯著的磁電耦合效應(yīng)和減少內(nèi)部噪聲源的方法實現(xiàn)了極低的等效磁噪聲,磁電電壓系數(shù)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(guān)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(nèi)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的Metglas和Mn摻雜PMN-PT層狀磁電復(fù)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(fā)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(shù)和對外界磁場的響應(yīng),器件的最小面積約為幾個平方厘米.而基于微納加工技術(shù)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(gòu)造傳感器陣列的設(shè)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(jié)構(gòu),復(fù)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(jié)合非常緊密,因此,磁場誘導(dǎo)應(yīng)變可以有效地轉(zhuǎn)移到AlN薄膜上,使磁電電壓系數(shù)在諧振頻率1197 Hz處超過了100 V/(cm·Oe),這已經(jīng)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(nèi)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(shù),這有利于使傳感器實現(xiàn)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(jié)合,可獲得5.7 V/mT的響應(yīng)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(shè)計了一種基于AlN/(FeGaB/Al2O3)微納機電系統(tǒng)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(dǎo)納的直流磁場依賴性,實現(xiàn)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(xiàn)了非屏蔽環(huán)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(tǒng)磁電傳感器與CMOS技術(shù)相結(jié)合,可以構(gòu)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(huán)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(tǒng)的電流傳感器是通過檢測電流產(chǎn)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(wěn)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(fù)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(dǎo)線將根據(jù)安培定律在其周圍激發(fā)交流或直流磁場.磁場的強度取決于導(dǎo)線中的電流、導(dǎo)線的電阻以及與導(dǎo)線的距離等,因此,環(huán)型磁電異質(zhì)結(jié)成為了電流傳感器的基本結(jié)構(gòu).Leung等[109]報道了一個環(huán)形電流傳感器,如圖7(b)所示,該傳感器基于環(huán)形磁電層狀異質(zhì)結(jié)而設(shè)計,由兩個周向磁化的Terfenol-D/NdFeB磁致伸縮復(fù)合材料環(huán)及夾在中間的軸向極化的PZT壓電陶瓷環(huán)組成,在實驗中測得輸出電壓對電流具有良好的線性響應(yīng).該電流傳感器在1 Hz—30 kHz的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)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(gòu)成的磁電電流傳感器中觀察到優(yōu)異的線性響應(yīng)度和高達114.2 mV/A的電流靈敏度.Zhang等[111]通過將磁電復(fù)合材料環(huán)與壓電變壓器相結(jié)合的結(jié)構(gòu),在62 kHz的機電諧振頻率下實現(xiàn)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(jiān)控有載流電纜或?qū)w的工程系統(tǒng)中擁有巨大應(yīng)用潛力.

2.6 磁電天線

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是移動通信系統(tǒng)需求的持續(xù)加大,設(shè)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(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題.作為無線通信系統(tǒng)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(yè)界和學(xué)術(shù)界都備受關(guān)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(shè)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(jié)構(gòu)尺寸,但這很容易激發(fā)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(gòu)成的磁電復(fù)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(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(tǒng)上默認的天線應(yīng)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(shù)基板上印刷貼片天線來實現(xiàn),但是,天線與接地層之間的強電容耦合嚴(yán)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(dǎo)率大于1的天線基板[120,121],而在GHz范圍內(nèi)尋找高磁導(dǎo)率和低損耗的自偏置磁性材料一直具有挑戰(zhàn)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(dāng)?shù)蔫F磁諧振線寬,可以實現(xiàn)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(diào)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(diào)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(xiàn)天線小型化、增強帶寬和增加諧振頻率可調(diào)性的手段,設(shè)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(nèi)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(diào)諧范圍.還設(shè)計了NiCo鐵氧體薄膜負載環(huán)形天線,可以在1.7 GHz的頻率下工作,諧振頻率調(diào)諧范圍為3—20 MHz.這種工作于GHz頻段的電可調(diào)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(guī)模、低成本的制造技術(shù),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(diào)諧,在天線的中心諧振頻率2.1 GHz處測量,發(fā)現(xiàn)中心頻率可以在12—40 MHz的范圍內(nèi)進行調(diào)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(jié)構(gòu)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(tǒng)仍然十分困難.最近,Nan等[130]提出了一種以聲學(xué)共振頻率接收和發(fā)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(jié)構(gòu),如圖8所示.這種天線以AlN/FeGaB磁電復(fù)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(jié)構(gòu),并且均實現(xiàn)了電磁波發(fā)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(chǎn)生形變使壓電層輸出電壓.相反,在發(fā)射過程中,壓電層在交流電壓輸入下產(chǎn)生振蕩機械形變,形變激勵磁性層產(chǎn)生磁化振蕩并輻射電磁波.因此,這些磁電天線在其聲學(xué)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(shù)量級,所以這些磁電天線具有與聲波波長相當(dāng)?shù)某叽?而只有相對應(yīng)的電磁波長的千分之一,比現(xiàn)有的小型化天線降低了1—2個數(shù)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(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力.

3 總結(jié)與展望

近年來,多鐵性材料與磁電耦合效應(yīng)的器件應(yīng)用研究越來越受重視.磁電器件的最大優(yōu)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(xù)、可逆調(diào)控,以取代體積大、重量大的電磁線圈、永磁鐵等部件,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、響應(yīng)快、噪音小、高效節(jié)能等優(yōu)異性能.這些優(yōu)勢已經(jīng)在一些原型器件中得到了證實,如可調(diào)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(yīng)用仍面臨巨大的挑戰(zhàn).

1)材料組合:為了實現(xiàn)更強的電控磁效應(yīng),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(dāng)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(shù)僅為1—2 ppm,導(dǎo)致使用YIG的磁電復(fù)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(shù)超過石榴石一個數(shù)量級,如果通過高質(zhì)量外延和晶格調(diào)控等手段獲得低損耗尖晶石材料,并與壓電材料進行高質(zhì)量結(jié)合,將可能制備出具有較高電場調(diào)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(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)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(yīng)的模擬仿真技術(shù),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(shè)計、建模都是一個重大的挑戰(zhàn).

3)性能優(yōu)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(jié)構(gòu)中實現(xiàn)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(dǎo)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(shù).此外,單相材料的可靠性問題可能轉(zhuǎn)移到基于復(fù)合材料的磁電器件上,如疲勞、擊穿、二次電子發(fā)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(shù):目前大多數(shù)的磁電器件通過將磁性相和鐵電相材料用環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)在一起構(gòu)成,這樣器件的尺寸較大且可能降低機械應(yīng)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(yīng)仍然制約器件的性能.開發(fā)磁電器件的集成技術(shù),可從以下幾個方面入手:一是開發(fā)新型高壓電系數(shù)、高品質(zhì)因子的壓電薄膜和低損耗、高磁致伸縮系數(shù)的鐵磁薄膜材料;二是開發(fā)新的襯底刻蝕/溶解技術(shù),減小襯底夾持效應(yīng)的影響;三是采用新的電控磁原理,如最近發(fā)展的利用離子液體/膠體實現(xiàn)電場調(diào)控磁性等[131,132]技術(shù).