基于交换偏置作用BiFeO3对NiFe2O4等磁性薄膜的电场调控

Electric-field control of magnetization has many potential applications in magnetic memory storage, sensors and spintronics. One approach to obtain this control is through multiferroic materials. We plan to obtain the fomation of a novel ferromagnetic state in the antiferromagnet BiFeO3 at the interface with ferromagnet NiFe2O4. Influence of the experimental parameters on interface structure, interface coupling and exchange bias are investigated systematically. we design an approach to control and switch local ferromagnetism with an electric field using multiferroics from the low temperature to room temperature. We use two types of electromagnetic coupling phenomenon that are manifested in heterostructures consisting of a ferromagnet in intimate contact with the multiferroic BiFeO3 to find the source of exchange bias. The first is internal, magnetoelectric coupling between antiferromagnetism and ferroelectricity in the BiFeO3 film that leads to electric-field control of the antiferromagnetic order. The second is based on exchange interactions at the interface between a ferromagnet and the antiferromagnet. This is an important step towards controlling magnetization with electric fields at different temperature, which may enable a new class of electrically controllable spintronic devices and provide a new basis for producing electrically controllable spin-polarized currents.

利用电场控制铁磁性在磁性数据存储，自旋电子学和高频磁性器件的研究领域中备受关注，采用拟磁控溅射方法制备NiFe2O4/BiFeO3异质结构薄膜，系统地研究各种实验参数对铁磁性/ BiFeO3异质结构薄膜间的界面结构、耦合和交换偏置磁学性能的影响。研究不同畴的BiFeO3及其不同的铁电反转途径对NiFe2O4/BiFeO3异质结构薄膜交换偏置的调控，实现从低温BiFeO3对交换偏置的电学调控到逐渐提高温度，获得室温或接近于室温条件下的BiFeO3对NiFe2O4/BiFeO3异质结构薄膜交换偏置的调控。探求交换偏置现象出现的根源，通过极化方向调节界面磁耦合，实现对铁磁体磁状态的控制。本项目的创新在于通过BiFeO3的铁电反铁磁强耦合机制与反铁磁和铁磁间的（交换偏置）耦合实现BiFeO3对铁磁层的电学调控，这项研究在强关联体系材料研究方面具有重要的科学意义。

利用电场控制铁磁性在磁性数据存储，自旋电子学和高频磁性器件的研究领域中备受关注。采用磁控溅射方法制备铁磁/BiFeO3异质结构薄膜，以尖晶石结构NiFe2O4为基础，探索其他高居里点铁磁性材料，具有高磁性能和高热稳定性的Fe-N薄膜材料创新性被用于制备异质结构薄膜，系统地研究各种实验参数对NiFe2O4/BiFeO3和γ΄-Fe4N/BiFeO3异质结构薄膜间的界面结构、耦合和交换偏置磁学性能的影响。成功获得了室温条件下的交换偏置现象，探求交换偏置现象出现的根源，通过极化方向调节界面磁耦合，实现对铁磁体磁状态的控制。本项目的创新在于通过BiFeO3的铁电反铁磁强耦合机制与反铁磁和铁磁间的（交换偏置）耦合实现BiFeO3对铁磁层的电学调控，这项研究在强关联体系材料研究方面具有重要的科学意义。. 本项目主要研究铁磁性/ BiFeO3异质结构薄膜的制备及其磁学性能，完成项目立项时的研究内容，达到预期目标。重要内容和结论如下：.(1)利用磁控溅射方法在SrTiO3衬底上制备了具有取向生长的纳米晶单相BiFeO3薄膜，并利用XRD、SEM和VSM等测试手段，研究BiFeO3薄膜的结构、形貌及其性能，具有应用于实际生产的前景。.(2) 采用磁控溅射方法，以尖晶石结构NiFe2O4为基础，探索其他高居里点铁磁性材料，具有高磁性能和高热稳定性的Fe-N薄膜材料创新性被用于制备异质结构薄膜，系统研究各种实验参数对NiFe2O4/BiFeO3和γ΄-Fe4N/BiFeO3异质结构界面耦合、结构和交换偏置磁学性能的影响。获得了室温条件下的交换偏置现象。Fe-N系列研究成果获吉林省科技进步三等奖1项。.(3)结合第一性原理计算分析铁电及铁磁性控制的微观机制，首先进行了Ni掺杂BiFeO3的第一性原理理论研究；其次对不同过渡金属TM（TM=Mn, Co和Ni）掺杂γ΄-Fe4N的结构进行了能量的计算等。发表论文3篇，为丰富薄膜材料的磁性理论和结构动力学理论提供理论基础和实验依据。.(4)利用旋涂法在Pt/Ti/SiO2/Si的基底上生长了掺镁的 (Co1-xMgxFe2O4) 钴铁氧体与压电晶体铌镁酸铅(PMN-PT)双层结构的薄膜材料，并利用Mg的掺杂量变化，有效的调控了其磁电效应。对于ZnO，SnO2和SiNx 等材料的结构和性能也进行了实验和理论研究工作，发表论文4篇。