[发明专利]由磁性纳米纤维铁电薄膜组合的磁电复合材料及其制备方法

权利要求书

1.一种由磁性纳米纤维铁电薄膜组合的磁电复合材料，其特征在于在导电衬底上，用静电纺丝法制备一层磁性纳米纤维，再在其上用脉冲激光沉积法生长覆盖磁性纳米纤维的铁电薄膜，形成一种1-2型磁电复合薄膜材料；所述衬底材料为Pt/Ti/SiO₂/Si或Nb-SrTiO₃导电衬底材料，所述磁性纳米纤维为CFO，或者是NiFe₂O₄或者是(La, Sr)MnO₃磁性材料，纤维直径为70~90 nm, 纤维长度为1~3 μm，所述铁电薄膜为PZT、或钛酸钡、或钛酸铅、或铌镁钛酸铅压电材料，厚度为300~500 nm；

所述CFO为CoFe₂O₄材料；

所述静电纺丝法制备一层磁性纳米纤维的方法为：

1)、按照Co²⁺与Fe³⁺摩尔比1:2称量硝酸钴与硝酸铁，将其溶于N,N-二甲基甲酰胺与乙醇的混合溶液中，其两溶剂比例为1:0.5～1.5，常温搅拌20 min，待其完全溶解；加入0.8 g聚乙烯吡咯烷酮，常温搅拌5-6 h至聚合物完全溶解；再将溶液超声20 min，静置一天，得到均一稳定的CFO前驱体溶液；

2）、用高压静电纺丝机将CFO前驱体溶液纺丝涂布在经超声清洗过的Pt/Ti/SiO₂/Si或Nb-SrTiO₃衬底上，设定纺丝参数：温度为40 ℃，湿度14~18 ％，正压18 kV，负压-3 kV，接收滚筒转速140 r/min，推注速率0.07 mm/min，针尖距离接收端距离~15 cm；纺丝5~10 s后取出衬底；

3）、将取出的衬底进行退火结晶，升温速率以2 ℃/min上升到70 ℃，保温2 h，再以升温速率2 ℃/min上升到400 ℃，保温2 h，再以升温速率1 ℃/min升温到750 ℃，达到结晶温度保温2 h，使CFO纳米纤维结晶，在衬底上制备了一层磁性纳米纤维。

2.一种由磁性纳米纤维铁电薄膜组合的磁电复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

步骤一：利用硝酸铁，硝酸钴化学试剂为原料制备CFO前驱体溶液

（1）溶剂选用N,N-二甲基甲酰胺和乙醇，N,N-二甲基甲酰胺与乙醇溶剂配比按照1:0.5～1.5不同比例进行混合，按照Co²⁺与Fe³⁺摩尔比1:2称量硝酸钴与硝酸铁，将其溶于N,N-二甲基甲酰胺与乙醇的混合溶液中，常温搅拌20 min，待其完全溶解；

（2）加入0.8 g聚乙烯吡咯烷酮，常温搅拌5-6 h至聚合物完全溶解；

（3）将溶液超声20 min，静置一天，得到均一稳定的CFO前驱体溶液；

所述CFO为CoFe₂O₄材料；

步骤二：清洗衬底

依次用丙酮、乙醇超声清洗Pt/Ti/SiO₂/Si和Nb-SrTiO₃衬底；

步骤三：用静电纺丝法制备CFO纳米纤维

（1）注射器规格选用10 mL，针头直径选用0.7 mm，用一次性注射器抽取一定容量的电纺前驱体溶液，并除去溶液中的气泡；

（2）将装有电纺溶液的注射器安装在电纺夹具上，调整好注射器针尖和接收极板的角度，并保持一定的接收距离；

（3）开启蠕动泵电源，使蠕动泵推进装置与注射器紧密接触；

（4）在接收滚筒上卷一圈锡箔纸，将超声清洗过的Pt/Ti/SiO₂/Si或Nb-SrTiO₃衬底用双面胶粘在锡箔纸上；

（5）设置高压静电纺丝机纺丝参数，设定纺丝温度为40 ℃，湿度14~18 ％，正压18 kV，负压-3 kV，接收滚筒转速140 r/min，推注速率0.07 mm/min，针尖距离接收端距离~15 cm；

（6）启动高压电源开关，开始纺丝，纺丝5~10 s后取出衬底；

步骤四：退火结晶

（1）将上步骤静电纺丝完成的制品进行干燥，升温速率以2 ℃/min上升到70 ℃，保温2h，使聚合物纤维的溶剂能充分挥发；

（2）再以升温速率2 ℃/min上升到400 ℃，保温2 h，去除有机物；

（3）以升温速率1 ℃/min升温到750 ℃，达到结晶温度保温2 h，使CFO纳米纤维结晶；

步骤五：上步骤退火结束，取出制品；

步骤六：利用脉冲激光沉积法继续生长铁电材料PZT包覆CFO纳米纤维；

（1）选用PZT为靶材，成分为PbZr_0.2Ti_0.8O₃；

（2）PZT生长参数为：沉积温度580 ℃，流动氧压30 Pa，激光能量210 mJ，脉冲频率5Hz，沉积时长60~120 min，沉积厚度300~500 nm；

沉积生长完成后进行退火，退火温度：650 ℃，氧压：3000 Pa，650 ℃保温时长20 min；

步骤七：将掩膜版放置在制品上，用直流磁控溅射法制备Pt顶电极，工艺参数：溅射功率40 W，流动氩压0.5 Pa，室温，沉积时间90 s；

步骤八：检测制品。