多铁调控的铁磁/反铁磁自旋阀多层膜及其多场耦合效应的研究

利用多铁／铁磁薄膜异质结中铁磁／反铁磁之间的交换偏置耦合和反铁磁/铁电之间的磁电耦合可以实现单一功能材料所不具备的多物理场之间的耦合，研制新型电子自旋器件和磁电器件，已引起了科学界极大的研究兴趣。本项目拟利用脉冲激光沉积法在硅晶片上制备出高质量的BiFeO3系多铁层，利用磁控溅射法制备CoFe等铁磁性金属层，以形成多铁／铁磁异质多层膜自旋阀结构。研究多铁层和铁磁层的界面微结构、结晶与畴尺寸和取向、厚度、组分等对自旋阀多层膜性能及其交换偏置效应和磁电耦效应的影响及其机理；研究铁磁／反铁磁交换耦合效应与反铁磁／铁电间的磁电耦合效应之间的关联及其机理，研究具有高的磁电耦合系数的满足自旋阀调控需要的优良多铁材料。最后，探索室温下使用电场调控磁性的方法，制备出具有优良交换偏置特性、磁电耦合特性的多铁／铁磁异质结构，并为制备新型"电写磁读"型存储器和磁电传感器等原型器件和应用开发提供前期技术支持。

本项目的研究工作围绕着铁电及多铁与铁磁材料构成的薄膜异质结的铁电／铁磁、铁电/阻变和铁磁/阻变之间的磁电耦合、阻磁耦合等多物理场之间的耦合，以揭示这些多物理场耦合的规律和机理，探索研制新型磁电转换、电写磁读、多态存储等器件的可能性，取得了一系列的重要成果。在FeBSiC/PMN-PT异质结铁电极化诱导的应变对电与磁性的影响研究中，我们制备了FeBSiC/PMN-PT异质结，研究了电压调控PMN-PT的极化应变进而诱导调控FeBSiC的磁性及其电阻性能的变化，为新型电写磁读存储器的研究奠定了基础；在硅基上外延制备了BiFeO3/CeO2/YSZ/Si多层异质结电容器。C-V特性测试表明，其记忆窗口随着外加电压的增加而增大，在±16V下可达2.5V，可望用于新型非易失性存储器的开发；在极化调控铁电和多铁氧化物异质结电阻变换行为与机制研究中，对外延制备的Pt/BiFeO3/Nb:SrTiO3异质结，研究了BiFeO3的铁电极化对该异质结电阻变换的调控作用与机理。该异质结中存在优异的双极型巨电阻变换效应。在正、负脉冲电压的作用下，伴随着极化的翻转，其阻值可以在高低阻态间快速切换，显示了铁电极化对阻变的显著调控作用，在非易失性阻变存储器方面具有潜在的应用价值。而Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3异质结则显示有极高的电阻变换比值并且通过改变驱动电压的大小，其电阻可在多个电阻态之间切换，可用于多级阻变存储器的研制；对LSMO/NBFO/Nb:SrTiO3多铁隧道异质结，观测到低电压驱动高稳定性的巨隧道阻变效应，其主要的机制为铁电场效应控制超薄铁电势垒的极化翻转使半导体表面态可以在多数载流子堆积和耗尽的两种状态间转换，有望用于高密度高速度低功耗的存储器研制。在Pt/CoFe2O4/SrTiO3:Nb/In结构阻变效应及阻磁调控特性的研究中，不仅在该异质结中存在典型的双极型电阻变换效应，同时对应有薄膜磁性大小和异质结电容发生变化。高低阻态的变化与磁性变化的关联性为新型阻磁器件的研制提供了可能性。此外，通过多铁两相同轴复合纳米管线阵列的研究，在纳米尺度上观测到了铁磁性与铁电性的共存，为探索在纳米尺度上实现磁电耦合以及制备纳米磁电器件提供了可能性。.上述成果在国际重要专业学术刊物上发表了SCI论文12篇，国内外会议报告7次。培养了4名博士，5名硕士。