电场辅助调控镍铁氧体薄膜磁性能的低温制备机制与节能应用研究

针对传统高温退火制备镍铁氧体(NiFe2O4, NFO)薄膜存在的高能耗与基板兼容性问题，研究人员通过电场辅助退火技术实现了磁性能的非易失性调控。研究发现，施加100 kV/cm电场可使退火温度降低200°C，同时使饱和磁化强度(Ms)提升至335 emu/cm3，揭示了电场诱导镍离子价态转变和反尖晶石-混合尖晶石结构转化的新机制，为高频磁电器件低能耗制造提供了新策略。

　　

随着电子器件微型化与高频化发展，尖晶石结构铁氧体材料因兼具高电阻率与高频磁导率特性成为研究热点。其中镍铁氧体(NiFe₂O₄, NFO)薄膜凭借优异的磁性能（高饱和磁化强度M_s、低矫顽力）和化学稳定性，在微波元件、磁芯电感器和多铁异质结等领域具有重要应用。然而传统制备技术面临两大瓶颈：一是需要700℃以上高温退火才能实现充分结晶和磁畴有序化，导致巨大能耗；二是高温易引发热膨胀失配和界面扩散，限制温度敏感基板的兼容性。

为解决这一难题，国家自然科学基金资助项目团队创新性地采用电场辅助退火技术。研究人员通过溶胶-凝胶法制备NFO薄膜后，设计平行板电容器施加100 kV/cm电场，系统研究了电场对薄膜微观结构和磁性能的影响机制。研究发现，常规退火条件下，700℃退火的NFO薄膜M_s达246 emu/cm³；而施加电场后，500℃退火样品M_s即可提升至264 emu/cm³，600℃样品更达到335 emu/cm³。这种非易失性磁增强效应源于电场诱导的镍离子价态变化和反尖晶石向混合尖晶石结构的转变。该技术使退火温度降低200℃，每批次50片4英寸晶圆可节能105 kWh，相关成果发表于《Applied Surface Science》。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法制备0.3 mol/L的NFO前驱体溶液，以NiC₄H₆O₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O为原料，通过提拉法在30%湿度下成膜。退火处理在空气氛围中进行，温度范围400-800℃。采用自行设计的平行板电容器施加电场，通过X射线衍射(XRD)分析晶体结构，振动样品磁强计(VSM)测试磁性能。

研究结果
Microstructure and magnetic properties of NFO films without applying electric field
XRD显示400℃退火样品已出现尖晶石NFO相衍射峰，700℃时结晶度显著提高。未加电场时，M_s随退火温度升高从130 emu/cm³(400℃)增至246 emu/cm³(700℃)，晶粒尺寸从12.5 nm增大至28.3 nm。

Conclusions
电场辅助使500℃退火样品的M_s超越700℃常规退火样品，600℃样品M_s提升36%。结构分析表明电场促使Ni²⁺向Ni³⁺转化，同时引发[Fe³⁺]四面体位向[Ni²⁺Fe³⁺]八面体位的迁移，形成混合尖晶石结构。

研究意义
该研究首次证实电场可在低温下实现NFO薄膜磁性能的定向调控，突破了传统高温退火的能量壁垒。通过揭示电场诱导的离子价态-结构协同调控机制，为开发低功耗磁电器件提供了新思路。技术推广后，预计可降低30%以上生产工艺碳排放，推动高频磁电子器件的绿色制造。论文通讯作者Na Tian强调，该方法可拓展至其他尖晶石铁氧体体系，具有普适性应用前景。