基于铁磁/多铁性薄膜异质结的电控制磁极化开关研究

磁自旋电子器件微型化与半导体器件集成化的发展趋势使得利用电场直接控制磁极化开关操作变得越来越重要，这不仅能开发新型自旋电子器件，而且在磁电理论研究中也具有重要的意义。本项目针对逻辑器件用铁磁(如Fe、Co、Ni)/多铁性BiFeO3基薄膜异质结构，主要研究如何利用电场操控多铁性薄膜中的反铁磁极化翻转，进而操控紧邻软铁磁薄膜的磁极化方向。通过掺杂和种子层上取向生长等方法得到室温下具有良好磁电耦合性能和明显磁极化取向的多铁性薄膜，并结合朗道理论与第一性原理计算，控制材料参数自由度来稳定磁极化矢量，实现电场对磁极化180度翻转的调制。将具有稳定磁极化取向的BiFeO3基薄膜与软铁磁电极异质外延制备成铁磁/反铁磁多铁异质结构，研究铁电性与铁磁性的耦合作用及磁极化的电场敏感度，实现电场对磁极化翻转的非挥发操作。建立科学的方法体系，为设计非挥发性电控制磁开关等自旋电子器件提供实验研究基础和理论指导。

本项目以多铁性薄膜异质结为研究对象，研究了基于BiFeO3（BFO）、Bi4Ti3O12、Bi3.15Nd0.85Ti3O12（BNT）、CoFe2O4（CFO）、NiFe2O4等多种铁电铁磁多铁性单相薄膜及复合异质结构的磁电和逆磁电（电控制磁极化开关）效应。具体内容如下：.首次采用金属有机物分解法制备了CFO\BNT双层及多层铁电铁磁异质结。控制BNT铁电薄膜层按照（100）、（117）和（001）取向生长，与CFO铁磁薄膜呈现清楚的接触界面，研究其磁电和逆磁电特性。结果表明取向工艺参数严重影响器件性能。通过改变膜厚探究了尺寸效应对双层复合薄膜电学、磁学以及磁电互控性能的影响。.制备了单相多铁性Bi6.15Nd0.85Fe1.5Co1.5Ti3O21（BNFCTO）薄膜与BTFO薄膜。研究了单层旋涂厚度对晶体生长的影响，发现随着单层厚度减薄，薄膜的结晶程度先增高后减小。通过控制单层厚度研究其对多铁性及磁电互控性能的影响。并在此基础上制备了BNT-BNFCTO复合多铁性薄膜异质结，研究了磁各向异性，以及磁电耦合特性。.通过控制预退火温度在ITO玻璃衬底上制备了(110)取向的BFO薄膜。通过分析薄膜随着厚度变化的演变，揭示了（110）薄膜取向生长的模式。在Au/BFO(110)/ITO异质结器件中，发现了极化调制的高开关比双稳态阻性开关行为和明显的二极管整流特性。制备了1.4 µm La掺杂BFO厚膜并分析了Bi过量在厚膜制备中起到了促进晶体生长、提高电性能的重要作用。.基于晶胞中心离子穿越铁电双势阱的跳跃概率函数，建立起铁电滞回行为起源的统计力学理论。该理论可以很好的解释极化电流和矫顽场的随着外激励的变化规律，这一点表现出了传统机理分析理论如微观模型和热动力学理论所不能解释的优点。.结合理论研究探究多铁性薄膜的强磁电耦合作用的机理，基于铁电朗道理论自主开发了相场模拟软件（YPSP V1.0）和铁电存储器场效应晶体管模拟软件（FeMDSP V1.0），基于以上自主开发的软件模拟分析了薄膜材料及其器件的相关性能。