具有量子阱结构多铁隧道结的自旋输运机理与存储特性研究

Multiferroic tunnel junctions (MFTJs) have a broad applied prospect in multi-states memories. However, the applications of MFTJs have been limited by the poor tunneling electroresistance (TER) and tunneling magnetoresistance (TMR) effects. In this proposal, new models of MFTJs with quantum-well structures are put up, in which giant TER and TMR effects are expected due to resonant tunneling. We will study the effects of fabrication process, microstructure and phase structure of the MFTJs on the electron transport, and establish a link between the optimal process and the magnetoelectric properties. The influences of the geometry structure, electric potential distribution and exchange splitting of the MFTJs on spin filtering, TER and TMR effects will be investigated and the magnetoelectric coupling mechanism will be explored. Using energy band theories and transport matrix method, as well as combing mechanical and electrical boundaries, the physical model of electron transport of spin polarization will be established, the control means and mechanisms will be explored, and a causal link between the microcosmic theory and macroscopic electrical properties will also be established. In addition, we will investigate the switch effect of magnetic polarization controlled by electric field in MFTJs, and establish the link between multi-states storage features and external electric and magnetic fields, and achieve low-power electric field writing and non-destructive magnetic field reading. The research results of this proposal will help us know more of the electric transport properties of MFTJs, and will be of great academic value in terms of the development and applications of MFTJs.

多铁隧道结在多态存储领域有着广阔的应用前景，但由于其TER和TMR效应过低，限制了多铁隧道结的实际应用。本项目提出了具有量子阱结构的新型多铁隧道结，通过共振遂穿实现巨TER和TMR效应。研究多铁隧道结的制备工艺、微结构和相结构对其输运特性的影响，建立优化工艺条件与多铁隧道结磁电性能的关联；研究隧道结结构参数、电势分布、电极化强度、变换分裂能等参数对自旋过滤效应、TER以及TMR效应的影响，探索磁耦合机理；应用能带理论和传输矩阵方法，结合力学和电学边界条件，建立电子自旋输运的物理模型，探索自旋输运的调控方法与调控机理，建立微观理论与宏观性能的关联；研究电场控制磁极化的开关行为，建立多态存储特性与外加电场及磁场的关联，实现低功率电写入和非破坏性磁读出功能。本项目的研究成果有助于进一步认识多铁隧道结的电输运特性，对于新型多铁隧道结的开发和应用具有极其重要的学术价值。

本项目从理论和实验上系统地研究了多铁隧道结结构、电学，磁学及磁电耦合性能，探讨了量子阱多铁隧道结的隧穿特性，揭示了磁电耦合效应及其隧穿机理。主要研究结果如下：.1. 量子阱结构多铁隧道结隧穿特性及复合多铁薄膜磁电耦合特性理论研究.（1）应用Thomas-Fermi 模型，结合电学和力学边界条件，利用传输矩阵方法和Landauer 电导公式，研究了量子阱宽度、铁电层铁电性及磁性电极自旋劈裂对隧穿电阻效应的影响，确定了实现巨隧穿电磁阻效应的优化结构参数。.（2）利用Landau-Ginsberg-Devonshire(LGD)热力学理论和修正本构方程，结合力学边界条件，计算了磁电耦合系数与残余应力、体积分数、界面耦合系数、外加磁场及温度之间的关系，揭示了增强磁电效应的途径及物理机制。.2. 研究了磁性薄膜的优化制备工艺，探索了应变调控磁各向异性的物理机制。.在不同取向STO及PMN-PT单晶衬底上外延生长了LSMO、NFO，Ni等磁性薄膜，研究了薄膜结构和磁学性能与衬底取向及应变之间的关联，探讨了外延薄膜磁各向异性的物理机制，建立制备工艺、微结构和磁各向异性之间的关联。.3. 复合多铁材料的磁电输运特性研究.(1)计了三种结构的磁电复合材料（T/P/T、T/P、T/P/G），研究了夹持效应对其振动模式、共振频率、共振相位以及磁电效应的调控机制，建立了夹持效应、振动模式与磁电耦合效应之间的关联。.（2）研究了不同电极/薄膜表面与界面势垒层的电势分布、有效宽度和高度等特征参数对自旋输运特性的影响规律，揭示了底电极对BFO薄膜阻变特性的影响及其调控机制。.（3）设计了PZT/LSMO复合多铁薄膜体系，探究了压电衬底取向、薄膜应变状态及厚度对磁电耦合特性的影响，建立了取向、应变、相结构与磁电耦合特性之间的关联。.（4）制备了Ni/BiFeO3/LSMO多铁隧道结，研究了隧道结的磁电输运特性，建立了磁场、电场、温度与多铁隧道结隧穿电阻之间的关联。.这些研究成果对于进一步认识多铁材料磁电耦合特性，实现多铁隧道结隧穿特性的调控具有重要的指导意义。