具有交换偏置效应的多级纳米结构磁性氧化铁的可控制备及自旋特性的研究

The recent advances of lithography have propelled the development of hierarchical-nanostructured magnetic iron oxides, which have been becoming an important class of device materials in spintronics. The highly-polarized spins of 3d electrons in iron ions at room temperature make these materials particularly suitable for spin carrier and spin injector. However, the strong magnetic interface effect and weak magnetic anisotropy greatly limit the application of this kind of material in the field of spintronics. Given that the interface and magnetic anisotropy both belong to the essential features of the exchange bias effect, this project aims to reveal the influence rules of the interface and magnetic anisotropy on the spin characteristics (e.g., spin injection, transport, carrier, etc.) by controllably fabricating hierarchical- nanostructured magnetic iron oxides particles with exchange bias effect. And then it is devoted to establish exchange-biased models for particulate systems, and hence carry out the necessary fundamental researches to pave the way for the application of this kind of material in the spintronic field, such as spin valves and spin tunnel junctions.

近年来，随着平版印刷术的不断发展，多级纳米结构磁性氧化铁材料逐渐成为一类重要的自旋电子器件材料，其铁离子的3d电子在室温下具有较高的极化自旋，特别适合用作自旋载体和自旋注入材料。然而多级纳米结构磁性氧化铁中较强的磁界面效应和较弱的磁各向异性极大地限制了该类材料在自旋电子学领域中的应用。鉴于界面和磁各向异性是交换偏置效应的基本要素，因此本项目拟通过可控制备具有交换偏置效应的多级纳米结构磁性氧化铁颗粒，揭示界面和磁各向异性对材料自旋特性（如自旋注入、输运和承载等）的影响规律，构建颗粒体系的交换偏置模型，为该类材料在自旋阀、隧道结等自旋电子学领域中的应用进行必要的基础研究。

近年来，随着平版印刷术的不断发展，多级纳米结构磁性氧化铁材料逐渐成为一类重要的自旋电子器件材料，其铁离子的3d电子在室温下具有较高的极化自旋，特别适合用作自旋载体和自旋注入材料。然而多级纳米结构磁性氧化铁中较强的磁界面效应和较弱的磁各向异性极大地限制了该类材料在自旋电子学领域中的应用。本项目在前人的研究工作基础之上，对不同形貌的氧化铁多级结构的形成机理和自旋特性进行了较为深入地研究，并着重探究了不同多级结构中的磁学奇异现象，包括：氧化铁阵列的硬磁特性及其畴位错、毫米级氧化铁多孔单晶的超顺磁性、二维取向附生氧化铁单晶的室温自旋玻璃态、负载金属阳离子的氧化铁纳米粒子的磁场反磁化行为、氧化铁纳米粒子的宏观量子隧穿效应、饱和磁化强度数值随温度正向变化的起因以及钴掺杂氧化铁的硬磁特性。研究发现，多级结构中磁性离子间的磁交换作用是产生上述现象的根源。这种磁交换作用不但可以在零磁场冷却条件下赋予体系较大的交换偏置场，而且可以引发单磁相体系的自发交换偏置效应。鉴于此，通过进一步研究与磁交换作用相关的磁界面和磁各向异性，揭示其对材料自旋特性（如自旋注入、输运和承载等）的影响规律，成功地构建了颗粒体系的交换偏置模型，为该类材料在自旋阀、隧道结等自旋电子学领域中的应用奠定了实验和理论基础。