《Advanced Material》：采用光子燒結熱處理Pb（Zr，Ti）O3/Metglas異質結構薄膜會產生超過20Vcm−1Oe−1的極大磁電耦合（IF=29.477）

背景：

  由壓電和磁致伸縮材料組成的磁電（ME）薄膜複合材料是應用於磁場傳感器、能量收集器和ME天(tian)線(xian)的(de)很(hen)有(you)前(qian)途(tu)的(de)候(hou)選(xuan)材(cai)料(liao)。傳(chuan)統(tong)上(shang)，需(xu)要(yao)高(gao)溫(wen)退(tui)火(huo)來(lai)結(jie)晶(jing)壓(ya)電(dian)薄(bo)膜(mo)，這(zhe)限(xian)製(zhi)了(le)增(zeng)強(qiang)磁(ci)電(dian)耦(ou)合(he)的(de)熱(re)敏(min)磁(ci)致(zhi)伸(shen)縮(suo)基(ji)板(ban)的(de)使(shi)用(yong)。在(zai)此(ci)，演(yan)示(shi)了(le)一(yi)種(zhong)協(xie)同(tong)製(zhi)備(bei)ME薄膜複合材料的方法，通過氣溶膠沉積和基於光子燒結（IPL）輻射的瞬時熱處理，在非晶Metglas基底上形成壓電Pb（Zr

，Ti）O₃（PZT）厚薄膜。IPL在幾毫秒內快速退火PZT薄膜，而不損害底層的Metglas。為了優化IPL輻照條件，采用瞬態光熱計算模擬的方法確定了PZT/Metglas薄膜內部的溫度分布。利用不同的IPL脈衝持續時間對PZT/Metglas薄膜進行退火，以確定其結構-性能關係。IPL處理提高了PZT的結晶度，從而提高了複合薄膜的介電、壓電和ME性能。通過脈衝寬度0.75ms的IPL退火的PZT/Metglas薄膜獲得了超高非共振耦合（≈20Vcm⁻¹Oe⁻¹）（高於其他薄膜一個數量級），為下一代小型化和高性能的磁電設備確定了可能性。

文獻介紹：

  由磁致伸縮和鐵電/壓電成分組成的磁電（ME）複合材料由於能夠通過ME耦合效應將磁場轉化為電（反之亦然）而引起了人們的廣泛關注。引證直接的例子
，磁致伸縮材料在施加磁場下會產生機械應變；該應變作為界麵應力傳遞到壓電元件上會產生電信號。具有大型ME耦合的ME複合材料已被廣泛開發用於各種基於ME的器件，如磁場傳感器、能量收集器、可調諧射頻（RF）器件和自旋電子器件。原型演示已經說明了
，通過多功能薄膜中磁性和電子特性的結合
，可以實現小型化和超低功耗納米/微電子技術的潛力。ME複合材料的性能是根據ME電壓效率α_ME來量化的，這被認為是一個關鍵的參數。按照之前，ME複合材料的大塊層壓板已經被用來證明在非共振條件下具有出色的α_ME（高達21.6Vcm⁻¹Oe⁻¹）。然而，大塊ME複合材料存在一定的局限性，例如由於中間粘附層導致界麵耦合不完美，難以響應小磁場。雖然ME薄膜異質結構已經被提出來解決這些問題，但由於襯底夾緊效應或其他原因導致的機電性能較差
，實現與大塊層壓板相當的大α_ME 是具有挑戰性。此外，ME薄膜的異質結構在壓電薄膜的結晶過程中還要經過複雜的後熱處理。

 為了減少襯底夾緊效應
，人們開發了各種方法
，包括插入界麵緩衝層
、製造垂直排列的鐵電納米結構
、光刻圖案
、厚（>1μm）壓ya電dian薄bo膜mo的de生sheng長chang以yi及ji柔rou性xing襯chen底di的de利li用yong。其qi中zhong，後hou兩liang種zhong方fang法fa已yi證zheng明ming了le減jian輕qing夾jia緊jin效xiao應ying的de有you效xiao性xing。在zai柔rou性xing磁ci致zhi伸shen縮suo基ji板ban上shang使shi用yong厚hou鐵tie電dian薄bo膜mo進jin行xing了le成cheng功gong的de演yan示shi，使shi已yi建jian立li的de製zhi造zao具ju有you改gai進jin壓ya電dian性xing能neng的deME薄膜的方法能夠協同集成。結晶後是最大限度地提高ME薄膜異質結構性能的另一個重要過程，因為它可以排列鐵電材料的域，以增強每個晶體單元內偶極矩的極化。傳統的熱處理，如在超過600°Cdewenduxiatuihuo
，yibeiyongyujiejinghoutiedianbomo。raner
，zhexiefangfacunzaiyixiejuxianxing
，rureyusuanda，daozhinengliangsunshigao

，tuihuoshijianbianchang，jiemianyuanzikuosan/發生化學反應
，以及對非晶合金和聚合物等溫度敏感襯底的損害。幾種低溫退火工藝已被提出，包括深紫外（UV）加熱、快速熱處理、高壓退火和微波輔助熱處理；然而，需要嚴格的環境條件和相對較長的處理時間。此外，在這些過程中，壓電層在不影響下選擇性退火是不可能的。

 利用各種光學光源的光子退火技術

，如激光和氙氣閃光燈的強脈衝光（IPL）輻fu射she，已yi經jing成cheng為wei極ji有you前qian途tu的de極ji快kuai速su熱re處chu理li的de候hou選xuan者zhe。該gai技ji術shu具ju有you在zai目mu標biao材cai料liao內nei產chan生sheng時shi空kong控kong製zhi熱re傳chuan遞di的de卓zhuo越yue能neng力li

，可ke以yi實shi現xian功gong能neng層ceng的de瞬shun間jian熔rong化hua和he晶jing體ti生sheng長chang
，而er不bu會hui損sun壞huai下xia麵mian的de基ji板ban。例li如ru
，利li用yong激ji光guang輻fu照zhao局ju部bu加jia熱re對dui沉chen積ji在zai柔rou性xing磁ci致zhi伸shen縮suo基ji底di（ME薄膜異質結構）上的壓電薄膜進行退火。然而，使用單色激光器的光熱過程存在固有的限製
，包括有限的光吸收長度、耗時的連續過程和小的光點光束尺寸

，從而在生產大麵積厚ME薄膜的過程中帶來了尺度上的挑戰。

 相反，IPL係統被認為是大麵積光熱退火過程的理想工具。通過優化閃光燈的尺寸/布局和內置反射器設計，可以在12英寸晶片尺寸的大麵積樣品中照射均勻度控製在±3%。這意味著IPL可以用於12英寸的晶圓
，這是微機電係統（MEMS）設備中最大的晶圓尺寸。ME薄膜的最終目標可能是金屬MEMS器件，因此在短時間內的大麵積熱處理是器件應用的關鍵問題。

 在此，我們展示了一種基於氙氣閃光燈的變革性IPL輻照工藝
，它克服了上述挑戰，並提供了顯著的優勢


，如成本效益、可擴展性（>300mm×150mm）、快速加工性
、寬光譜（200-1000nm）和高光輸出效率。通過製備Pb（Zr，Ti）O3（PZT）/Metglas（FeBSi）薄膜異質結構，實現了≈20Vcm⁻¹Oe⁻¹的超高非共振ME耦合，如圖1所示。據我們所知
，使用IPL退火（IPLA），PZT/Metglas獲得的α_ME值比迄今為止報道的任何其他ME薄膜複合係統都要高一個數量級。值得注意的是，ME薄膜複合材料中的ME耦合首次達到了與ME體層壓板相同的水平。

  氣溶膠沉積（AD）過程隻需要幾分鍾就能生產具有強界麵附著力（≈30MPa）的高密度（>95%）陶瓷厚膜（1-100μm），這(zhe)是(shi)在(zai)室(shi)溫(wen)下(xia)與(yu)任(ren)何(he)低(di)熱(re)預(yu)算(suan)的(de)非(fei)晶(jing)金(jin)屬(shu)或(huo)聚(ju)合(he)物(wu)基(ji)底(di)進(jin)行(xing)高(gao)界(jie)麵(mian)耦(ou)合(he)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)
，從(cong)而(er)在(zai)生(sheng)產(chan)中(zhong)提(ti)供(gong)了(le)優(you)良(liang)的(de)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)和(he)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)。氙(xian)氣(qi)閃(shan)光(guang)燈(deng)放(fang)出(chu)的(de)多(duo)種(zhong)電(dian)磁(ci)波(bo)長(chang)根(gen)據(ju)光(guang)穿(chuan)透(tou)深(shen)度(du)被(bei)PZT厚膜減弱，從而使沉積的PZT薄膜在毫秒時間內實現體積結晶
，而不會對非晶態Metglas基板造成任何損壞。在PZT和Metglas之間沒有觀察到界麵化學反應。通過表征IPLA PZT/Metglas薄膜複合材料的介電、壓電和ME特性
，深入研究了不同IPL輻照條件（如放電電壓和脈衝寬度）下的光子退火效應。此外，通過瞬態光熱模擬理論計算PZT/Metglas異質結構複合材料內部的溫度分布，實現了IPL誘導的PZT相結晶的可靠驗證。

引用：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202303553

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