长程有序的1-3型磁电复合纳米结构薄膜的构建与物性研究

The 1-3-type nanocomposite consists of two functional materials, the nanopillar arrays and the matrix, which is normally derived from spontaneous phase separation process. It was found that this vertical architecture can reduce the clamping effect from the substrate and maintain efficient strain coupling with large interfacial surface area and three dimensional heteroepitaxy. Motivated by recent progress about the switching of the magnetization on reversal of the ferroelectric polarization and highly enhanced Curie temperature in 1-3-type nanocomposites, it becomes a very hot system for the study of stain mediated magnetoelectric (ME) coupling. While the self-assembled growth mechanism of pillar in matrix architecture is not clear yet, and the size and degree of phase order among the nanopillars are uncontrollable and highly dependent on growth conditions. The open question now is how to induce long-range phase ordering in 1-3-type composite, so that one can quantitative control the interfacial area and strain. In this proposal, we introduce highly ordered seed arrays in the growth process of 1-3-type composite to confine the phase separation. As a example, CoFe2O4 dot arrays will be fabricated via a stencil-derived direct epitaxy technique, and CoFe2O4-BiFeO3 (CFO-BFO) composite films will be grown over these CFO dots. The distribution behavior of CFO nanopillars will be systematically characterized with CFO seeds of different size and periodic order. This study may help to give microscopic investigations on phase separation in nanocomposite and pave the way to design and control long-range phase order in 1-3-type nanocomposites. As a directed assembly approach, it can also be used for other phase separation derived nanostructures and have great impact, not only in the field of multiferroics, but in a broad range of applications.

1-3型复合纳米结构薄膜是一种纵向异质外延结构，它通过三维外延增加界面，减少衬底限制，提供有效的面外应力调控，是复合磁电体中非常重要的构型；对增强磁电耦合，提高临界温度有重要意义。然而其相分离的形成机理仍不清楚，其中各组分的形貌、尺寸、分布有序度强烈依赖于工艺条件且难以控制，这成为阻碍其应用发展的主要瓶颈。本项目针对这个问题，提出有序籽晶阵列调控复合材料中同质相成核生长的思路，将自发相分离变为诱导相分离，通过模板辅助的脉冲激光沉积技术，制备高度有序的外延籽晶纳米点阵，并在此基础上生长1-3型复合薄膜；探索不同尺寸，排列周期的籽晶对于体系相分离过程的影响，并研究相应的磁电耦合性质；有望制备出长程有序的1-3型复合磁电体，为揭示其相分离规律，实现材料组分、分布有序度的可控调制，继而从微观定量角度研究界面关联的磁电耦合特性提供实验基础。

本项目针对CoFe2O4-BiFeO3（CFO-BFO）纳米复合材料中非固溶组分相分离行为的调控与自组装纵向异质外延结构的演化过程展开研究，分析了体系中界面耦合对于材料室温多铁性的影响，主要研究内容与结果可分为以下三点：1）利用具有多孔有序纳米结构的氧化铝薄膜作为模板，结合脉冲激光沉积技术制备了不同尺寸和周期对称结构的CFO纳米点阵列，以此为基础将CFO-BFO体系中的自发相分离过程变为籽晶诱导的相分离过程，获得了长程有序的CFO纳米棒与BFO母体复合1-3型纳米磁电薄膜；通过对比不同籽晶排列周期对于异质外延结构的影响，分析了CFO-BFO相分离体系中CFO相扩散成核的对称特征及空间尺度，为拓展研究其他类型的尖晶石-钙钛矿非固溶体系相分离规律提供了有力依据。本项目所得到的长程有序CFO-BFO复合结构通过三维外延增加界面，减少薄膜衬底的钳制效应，提供了一个研究面外应力调控体系磁电耦合特性的重要平台；项目研究表明CFO-BFO复合薄膜具有室温多铁性，BFO相的介电常数在外加磁场作用下受CFO相界面应力调制，表现出明显的“磁控电”行为；2）与国外合作者开发了基于扫描探针显微技术的多维度表征材料铁电畴结构动态变化行为的方法，实现了铁电畴随外界场变化而发生的成核与运动的实时表征，为了进一步从微观定量角度研究界面关联的磁电耦合特性提供了有力保证。3）在籽晶诱导相分离获得长程有序结构的基础上，提出了一种新的获得有序1-3型纳米复合薄膜的思路，通过调控体系中BFO母体相的三维尺寸，继而影响其中CFO相的扩散与合并，从而实现了对于所形成的CFO纳米柱的形貌尺寸与分布行为的调控；获得了有序的核-壳型CFO-BFO复合结构，为进一步降低BFO母体受到的衬底钳制以得到更高的磁电耦合效应创造了可能。本项目成功实现了复合纳米结构薄膜中的结构组分有序的可控化制备，为进一步定量控制界面及其关联物性，从微观角度建立界面应力与物理性质之间的对应联系，深入理解磁电耦合机理，构建相应功能器件铺平道路。