[发明专利]一种基于磁致伸缩实现BaTiO3

权利要求书

1.一种基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法，其特征在于：包括衬底和BaTiO₃薄膜，所述BaTiO₃薄膜生长固定在衬底上方，具体操作如下：薄膜沿着[001]方向外延生长，所述薄膜的晶格常数大于衬底晶格常数；薄膜受到衬底的压应变作用使得铁电极化有沿c轴方向排列的趋势；对薄膜进行单畴化处理，将该生长于衬底上的薄膜放置在垂直于薄膜表面的外加电场中，然后不断加大电场，测量薄膜c轴方向的极化强度，直到BaTiO3薄膜的铁电极化强度不再增加为止，撤去外电场；将金属导线卷绕在金属芯上，固定在衬底的两侧，导线通过可调电阻连接于直流稳压电源，电源的电动势的大小以满足电路中电流激发的磁场，导致衬底材料大于等于2％的磁致伸缩应变为参考标准；以初始极化方向作为起始方向，接通电源，逐渐加大电压，记录铁电极化方向的改变，直到铁电极化翻转到平行于薄膜平面为止，断开电源，判断极化方向的转动与电压变化的关系；重新接通电源，通过调控电压，转动铁电极化，进行10进制编码的信息存储或读取，确定外加电压与铁电极化方向间的对应关系；

所述衬底采用具有磁致伸缩性的材料，具体要求如下：(1)极化翻转90°需要的双轴应变范围为1.5％，衬底材料的磁致伸缩系数为1*10^-2-3*10^-2，取部分稀土金属氧化物；(2)选取各向同性的体磁致伸缩材料作为衬底，具有等效的正的横向和纵向磁致伸缩系数；(3)选用四方晶系，且晶格常数比BaTiO₃薄膜晶格常数小1.5％的材料作为衬底；

将外延生长得到的薄膜置于较强的恒定外电场中进行初始极化，为了保证设定初始极化的方向沿垂直于薄膜表面方向，使得到的薄膜为单相单晶的单畴薄膜，所述外加电场的方向与薄膜表面垂直；

在整个的应变范围内，BaTiO₃薄膜发生三次相变，经历四个相，其中两个四方相、一个三方相，一个立方相，外加应力驱动极化翻转时，即使界面应变作用下BaTiO₃薄膜中有这些结构相变发生，但由于相变是连续的二级相变，所以极化在垂直于ab面的面内翻转时，极化P大小的变化总是连续的，不会发生跃变。

2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法，其特征在于：所述BaTiO₃薄膜通过外延方法生长于[001]方向的四方衬底上，为了使衬底和薄膜间的晶格有很好的适配，保证薄膜材料的理想化学配比，减小应变传递的损失，薄膜在超真空环境中生长，所述薄膜的厚底小于等于10um。

3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法，其特征在于：通过闭合回路中的电流，激发磁场到衬底，由于磁致伸缩，在衬底中产生大的应变伸缩，然后再通过应变耦合到铁电薄膜，衬底中的双轴等大的应变导致薄膜中也产生双轴等效的应变，从而驱动薄膜的相变和极化转动。

4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法，其特征在于：对BaTiO₃薄膜进行第一性原理计算，测得极化P-应力F的关系，当张应变约为0.75％时，Pz＝0，Px＝Py，极化在ab平面内达到最大，而随着张应变减小，到压应变增大到0.01，即1％时，Px＝Py＝0，Pz到达最大，即极化完全翻转到c轴方向。

5.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法，其特征在于：所述金属芯侧面面积略大于衬底的侧面，并且使两侧面的中心平齐。

6.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法，其特征在于：以极化强度P沿c轴方向作为初始方向，以极化强度与c轴的夹角定义极化的转动角度，具体如下：当电压为零时，极化沿着c轴时θ＝0°，逐步增加电压，当极化方向开始转动时，记录电压值；然后，以铁电极化在面内每转动10度为间隔，记录一个电压值，直至铁电极化与c轴夹角为θ＝90°，共记录10个电压值，做出电压-铁电极化翻转角度关系曲线；重复上面的过程，多次测量取电压平均值。

7.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法，其特征在于：由于不同角度对应不同的极化态，通过上面的测量，确立了铁电极化态与电压大小间的对应关系，就可以通过调制外加电压获得所需的极化量子态；若按上面的测量数据，以变化10度作为一个量子态转换，那在90度转动范围内，就可以获得10个量子态，通过调控电压，转动铁电极化，即可进行10进制编码的信息存储或读取。