锂离子对尖晶石型铁氧体外延薄膜磁性的可逆调控

The magnetism of spinel ferrites originates from the site occupancy of the transition metal ions in the crystal structure and the competition of antiferromagnetic couplings among these ions. As there are a lot of tetrahedral and octahedral vacancies existing in the spinel structure, the valence state and site occupancy can be manipulated by the Li ion intercalation and deintercalation. As a result, the coupling strength between different ions can be changed and the material’s magnetization can be modulated. In recent years, some preliminary researches have been carried out in this field, and a reversible change of magnetization has been reported. However, the modulated magnetism change is still small, and the underlying modulating mechanism is still unclear. More efforts need to be made to provide an in-deep understanding of the mechanism of magnetism modulation induced by Li ions. In this project, we are planning to carry out the following works. (1) Growing epitaxial spinel ferrite films with different crystal orientations and under different stress states by choosing suitable substrates, buffer layers and optimized growth conditions. We will investigate the factors affecting the Li insertion capacity to achieve a large reversible magnetic modulation by increasing Li intercalation amount. (2) Investigating the influence of occupancy sites of the transition metal ions on the magnetic modulation process. We will deposit normal spinel, inverse spinel and mixed type spinel epitaxial films respectively to systematically study the Li ions modulation difference between them. (3) Investigating the change of valence state and occupancy sites of magnetic ions during the Li ions intercalation process. This project will not only help to uncover the mechanism of intercalation and transportation of Li ions in spinel materials, acquiring the method to modulate the magnetization of spinel ferrites in a large magnitude, but also provide some valuable reference and guidance to the electric control of magnetism in other transition metal oxides and benefits the development of new types of oxides devices.

尖晶石型铁氧体材料晶格结构中存在大量的四面体和八面体空位，通过控制锂离子的嵌入和脱嵌，可以改变材料中的离子价态和离子间的耦合强度，实现对材料宏观磁性的可逆调控。近年来研究者对这一领域开展了探索性研究，但对锂离子在材料磁性调控中的物理机理依然不清楚。在本项目中，我们计划（1）制备不同晶格取向、不同应力状态的尖晶石型铁氧体外延薄膜，研究影响锂离子嵌入过程的主要因素，提高锂离子嵌入量，实现材料磁性的大幅度调控；（2）分别制备正尖晶石，反尖晶石以及混合型尖晶石外延薄膜，系统研究过渡族离子占位不同对锂离子调控磁性的影响规律；（3）研究锂离子嵌入/脱嵌过程中，过渡族金属离子的价态变化和离子占位的变化规律，探索不同电压下影响磁性的主要因素。最终阐明锂离子对尖晶石型铁氧体材料磁性的调控机制，获得大幅调控其磁性的有效方法，同时为其他过渡族金属氧化物磁电性质的锂离子调控及新型氧化物器件的研制提供有价值的参考。

功能性氧化物在结构相变、电学、磁学、光学等方面显示出丰富的特性，一直以来都是物理、化学以及材料学科的研究热点，在电子信息领域有着广阔的应用前景。通过外加电压来改变材料的电、磁、光学性质，可以实现对功能氧化物薄膜材料连续、可逆的物性调控，是功能氧化物实现功能器件的前提。电场可以驱动离子迁移，即电化学氧化还原过程，实现非易失的物性调控。基于离子迁移的电场调控可以极大丰富对功能氧化物物性的调控，在很多材料中实现显著的电、磁、光学特性调控效果。.在本国家自然科学基金的资助下，我们主要开展了如下研究工作：.1..通过工艺参数优化，成功制备出了性能良好的LiFe5O8、NiCo2O4和SnFe2O4具有室温铁磁性的尖晶石外延薄膜，并探索了锂离子对这几种材料磁性的调控。研究表明锂离子的嵌入/脱出会影响薄膜材料的饱和磁矩，在一定的电压窗口中可以实现这些材料磁性的可逆调控，但是调控幅度不大（最大约10%）。当调控电压较大时，锂离子过量嵌入会使得氧化物发生不可逆还原，形成磁性金属颗粒。相关结果为下一步优化离子调控尖晶石材料磁性能提供了参考。.2..为了获得更明显的离子调控效果，我们制备了具有两种拓扑结构的SrCoOx和SrFeOx外延氧化物薄膜，系统研究了氧离子对于该类材料磁学和电学性质的可逆调控机理。通过电场驱动氧离子的注入和脱出，在SrCoOx外延薄膜中实现了反铁磁绝缘相和金属性铁磁相之间的可逆转变。在SrFeOx薄膜中同样观测到了电场驱动的可逆金属-绝缘体相变。这些结果为自旋电子器件以及人工神经元器件的研究提供了基础。.3..成功制备了VO2柔性薄膜、MoO2和WO3外延薄膜，系统研究了氢离子和锂离子对于这些氧化物薄膜光学、电学性能的调控机理，探索研究了离子调控的新型氧化物电子器件和光学器件。.通过本项目的实施，我们对于氧化物薄膜材料中的磁性耦合以及电子结构调控机理有了深刻的认识，为我们今后在自旋电子器件、人工神经元器件以及光电器件方面的研究奠定了坚实的基础。