铁酸铋/铁磁薄膜体系的交换偏置与可逆电控磁效应的研究

Multiferroic materials combine the ferroics (mainly magnetic and ferroelectric orderings) in one material, providing the multiple control of the two or more ferroics. BiFeO3 is the very rare room-temperature multiferroic material (ferroelectricity,antiferromagnetism), and its most plausible application in spintronics is the antiferromagnetic pinning layer. The magnetic properties of the pinned ferromagnetic layer can be manipulated by the electric field applied on BiFeO3 through the exchange bias effect in ferromagnetic/antiferromagnetic bilayers and the magnetoelectric coupling effect in multiferroic materials. In this project, we will mainly focus our research on the following aspects: 1) We will fabricate the antiferromagnetic/ferromagnetic bilayers using BiFeO3 as antiferromagnetic layer, ferromagnetic metal (NiFe, etc.) or ferromagnetic oxide (NiFe2O4, etc.) as ferromagnetic layer, and systematically study the mechanism of the exchange bias effect; 2) We will systematically study the controlling mechanism of the applied electric field on each factor which influences the exchange bias at the BiFeO3/ferromagnetic interface. With the control of crystal structure, ferroelectric domain structure and spin structure of BiFeO3, we will try to realize the reversible manipulation of the magnetic properties of the pinned ferromagnetic layer by the electric field; 3) We will apply BiFeO3/ferromagnetic bilayer in magentic tunnel junctions or spin valves, and try to realize the reversible electrical manipulation of the magnetoresistance, which will lay the foundation of devloping new type electric-field-tunable spintronic devices.

多铁性材料将磁有序和电有序等多种铁性集中在一起，可实现多种铁性间的相互调控。BiFeO3是少有的室温多铁性材料（铁电性和反铁磁性），其在自旋电子学中最有效的应用是作为反铁磁钉扎层。我们可利用铁磁/反铁磁薄膜体系的交换偏置效应以及多铁性材料的磁电耦合效应，实现电场对被钉扎的铁磁层磁性的调控。在本项目中我们将着重研究以下三方面的内容：1）以BiFeO3作为反铁磁层，以NiFe等铁磁金属或NiFe2O4等铁磁氧化物作为铁磁层，制备反铁磁/铁磁双层膜，系统地研究其交换偏置效应的物理机制；2）系统地研究外加电场对影响BiFeO3/铁磁界面交换偏置效应的各因素的调控机制，通过改变BiFeO3的晶体结构、铁电畴结构和自旋结构，实现外加电场对被钉扎的铁磁层磁性的可逆调控；3）将BiFeO3/铁磁结构应用于磁性隧道结或自旋阀中，实现电场对磁电阻效应的可逆调控，为研制电场调控的新型自旋电子器件奠定基础。

电压调控的自旋电子学对信息技术的持续发展起着至关重要的作用，因为它能在显著降低器件能耗的同时提高器件的运行速度、集成度和多功能性。但是通常材料中缺乏显著的直接磁电耦合作用，所以电控自旋电子学的研究一直未能获得较大的突破。交换偏置是由于铁磁-反铁磁界面处的强耦合而产生的，现已广泛应用于诸如读出磁头、磁性传感器等磁电子器件。如能通过电压调控交换偏置，进而实现铁磁层磁化翻转，将极有可能研制出高能效的自旋电子器件。BiFeO3是一种罕见的、集铁电性和反铁磁性于一体的室温多铁性材料，我们可利用基于BiFeO3的铁磁/反铁磁（FM/AFM）薄膜体系的交换偏置以及磁电耦合效应，实现电场对交换偏置乃至铁磁层磁性的调控。.本项目立足于摸索制备高质量的BiFeO3薄膜，研究基于BiFeO3的FM/AFM双层膜体系的交换偏置及其产生机制，通过改变BiFeO3的晶体结构、铁电畴结构和自旋结构，力图实现外加电场对被钉扎的铁磁层磁性的可逆调控。我们的工作取得了一系列重要的结果，主要包括：（1）利用激光快速加热和场冷，有效地避免BiFeO3薄膜与铁磁金属层界面上的氧化，成功诱导出显著的交换偏置效应；（2）通过系统地改变Bi和Li的掺杂量，成功实现了在改善BiFeO3薄膜铁电性的同时也改善了其与NiFe薄膜的交换偏置；（3）将NiFe作为顶电极研究BiFeO3薄膜在铁磁金属电极下的铁电性以及疲劳特性，发现BiFeO3薄膜表现出了更为优异的铁电性质，铁电极化值的衰减更弱；（4）制备了高质量的BiFeO3/Sr2FeMoO6双层膜，显著地提高了基于BiFeO3的全氧化物体系交换偏置的冻结温度；（5）从实验和理论两方面仔细研究了自旋玻璃/铁磁（SG/FM）体系中交换偏置的场冷场和温度依赖特性，很好地诠释了基于BiFeO3的FM/AFM薄膜体系低温交换偏置的产生机制；（6）作为本项目的拓展，我们提出了一种结合电阻开关效应的新型电调控交换偏置的方法，室温下在Si/SiO2/Pt/Co/NiO/Pt器件中成功实现了可逆的、非易失的电控交换偏置。上述研究结果必将为研制电场调控的新型自旋电子器件提供了多种思路。