铁磁/铁电多铁异质结微畴介观磁电耦合研究

Artificial ferromagnetic/ferroelectric (FM/FE) multiferroic heterostructures have been proposed through the strain-mediated coupling, and have been believed as more likely to emerge niche application in shorter term for they can operate well at room temperature. Lately, several investigations suggest that the FE domain is important for the novel magnetoelectric coupling in FM/FE multiferroic heterostructures, while one of the key issues that the relation between the FM domain and FE domain as well as the magnetoelectric effect dependence on the FE domain wall and FE domain switching remains unclear. In this proposal, we will use the spatial resolution technique of micro-domain characterization under the in situ electric field, assisted by the micro-magnetic simulation to study the magnetoelectric effect affected by the FE domain, domain wall and domain switching at mesoscale. Furthermore, we will uncover the nature coupling mechanism of FM/FE heterostructure in the view of the FE domain. All these investigations are helpful for the micro-devices application of multiferroic materials.

基于应力机制的铁磁/铁电多铁异质结因其良好的室温工作能力，在多铁材料中占据着重要的地位，其较大的磁电耦合效应也预示着其应用潜能。研究表明铁电畴在实现新奇的电场调控磁性中起着关键的作用，然而，在该体系中铁磁畴与铁电畴如何关联以及铁电材料的畴壁、电畴翻转是如何影响体系的磁电耦合效应等科学问题还有待回答。针对这些具体的科学问题，本项目拟通过原位电场下空间分辨的微畴表征与微磁模拟相联合的研究方法，从介观尺度系统地研究铁电材料电畴尺寸、畴壁及电畴翻转类型对铁磁材料磁畴结构及其随电场演化规律的影响，着力从铁电畴及其翻转的介观角度揭示铁磁/铁电多铁异质结磁电耦合的机理，为复合多铁材料的器件化和小型化奠定理论和实验基础。

本项目主要研究介观磁电耦合机理和新概念磁电器件。利用微磁模拟和多物理场仿真相结合手段，获取介观尺度铁电/铁磁复合材料的电场调控磁特性；突破空间分辨电场调控磁表征技术，获得了CoFeB/PMN-PT铁电畴、畴壁和铁磁畴、畴壁的相互关系；研究了铁磁畴及其畴壁的变化规律，揭示了磁电耦合介观机理。在此基础上，探讨磁性隧道结的电场操控特性，通过铁电功能畴、微电极应力工程等途径，实现了磁电阻状态的全电场操控和手性操控。.项目按计划顺利开展，申请国家发明专利3项，1项已授权；合作发表SCI论文13篇，1篇一作ACS Applied Materials & Interfaces，在Nature Communications、Science Advances各1篇。参加国际磁学会议1次，做口头报告1次；参加国内会议3次，做邀请报告2次。 .本项目重要研究成果如下：.（1）开发了空间分辨电场调控磁技术，在CoFeB/PMN-PT(001)体系中，从实验上获得了磁矩沿铁电畴面内极化分量的直接证据；其次，观察到两种电场调控磁行为（Loop和Butterfly），结合宏观电场调控磁特性，提出了铁电畴翻转相关的空间分辨电场调控磁行为；利用微纳米加上技术，制备了受限CoFeB微米岛/PMN-PT结构，通过原位表征技术，观察到了三种电场调控磁特性，分别对应于不同铁电畴翻转形式及多铁电畴翻转，并观察到了铁电畴翻转对铁磁畴壁的调控现象，相关论文获得国际上广泛关注。.（2）成功在PMN-PT(011)体系上集成了磁性隧道结器件，磁电阻变化率达到200%，利用铁电功能畴及微电极应力工程设计，实现了无外磁场辅助下，隧道结磁电阻状态的全电场操控。其次，开发了纳米隧道结工艺，并成功在纳米结中实现磁电阻的电场操控，并观察到了磁电阻翻转手性的电场操控特性，已发表的论文受到国际同行的广泛关注。. 总之，本项目研究揭示了铁磁铁电畴相互耦合的机理及铁电畴（翻转、畴壁）等对电场调控磁的影响规律，基于铁电功能畴和微电极应力工程开发了新型的电场操控磁电阻器件，为新型自旋电子器件提供一种全新操控方法。