多鐵異質(zhì)結(jié)中的磁電耦合和電阻轉(zhuǎn)換效應(yīng).pdf

1、隨著自旋電子學(xué)/電子學(xué)過去數(shù)十年的迅猛發(fā)展，人們對器件的小型化、器件的讀寫速度以及其讀寫能耗都有了更高的要求。然而，現(xiàn)有的技術(shù)與材料已經(jīng)到達(dá)其尺寸和性能的極限，并開始制約電子器件科學(xué)的發(fā)展。因此探索能夠滿足生產(chǎn)生活更高要求的新材料進而變革電子器件領(lǐng)域變得尤為迫切和重要。具有多功能的、可進行多參量調(diào)控的多鐵材料受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。多鐵材料以其鐵電極化和磁極化共存、磁電間可相互耦合調(diào)控而有望在多功能電子器件革新上發(fā)揮巨大的作用。然而，

2、目前室溫單相的多鐵性材料匱乏且磁電耦合效應(yīng)弱，可以進行人工設(shè)計的復(fù)合多鐵性材料—多鐵異質(zhì)結(jié)由于其在材料選擇和磁電耦合效應(yīng)方面都有著巨大的優(yōu)勢而引起了廣泛地關(guān)注。目前盡管在多鐵異質(zhì)結(jié)磁電耦合方面已經(jīng)取得了一定的研究進展，但其中仍然存在大量的、與實際生產(chǎn)應(yīng)用密切相關(guān)的問題，比如如何在室溫甚至高溫條件下實現(xiàn)強烈的磁電耦合效應(yīng)、異質(zhì)結(jié)中的磁性層對異質(zhì)結(jié)整體在磁場下的介電鐵電性的影響有多大，如何成功地將疇壁工程和宏觀電輸運性質(zhì)緊密聯(lián)系在一起實現(xiàn)更

3、多的電阻狀態(tài)等等。
　　針對上述問題，本論文主要研究了磁性電極材料對多鐵異質(zhì)結(jié)中的磁電耦合效應(yīng)和介電/磁介電效應(yīng)的影響;探討了多鐵異質(zhì)結(jié)中界面效應(yīng)和鐵電疇壁同時參與的三阻態(tài)阻變效應(yīng)的起源，為多重態(tài)存儲器件的原型設(shè)計提供了一定的思路。
　　整篇論文分為六個章節(jié)，每一章的主要內(nèi)容可概括如下:
　　在第一章中，綜述了單相多鐵材料的多鐵性起源以及復(fù)合多鐵材料的優(yōu)勢，重點介紹了磁介電效應(yīng)和多鐵異質(zhì)結(jié)中磁電耦合效應(yīng)以及相關(guān)研究進展

4、，最后簡單介紹了多鐵性異質(zhì)結(jié)相關(guān)的電阻轉(zhuǎn)換效應(yīng)并對其中的機理進行了闡述。
　　在第二章中，為了研究磁性電極電阻對外延的BiFeO3/La0.625Ca0.375MnO3(BFO/LCMO)異質(zhì)結(jié)鐵電性的影響，我們利用不同的電極配置系統(tǒng)地測量了BFO/LCMO異質(zhì)結(jié)的鐵電性，發(fā)現(xiàn)表觀矯頑電壓隨著LCMO電阻線性增加。通過建立分壓模型，去除了來自于LCMO層的分壓的非本征效應(yīng)，進而得到了異質(zhì)結(jié)本身的矯頑電壓Vac0，同時我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度

5、高于150 K時，Vac0同樣的對磁場有明顯的響應(yīng)，顯示出本征磁電耦合效應(yīng)。實驗結(jié)果證明，對于鐵電/鐵磁復(fù)合薄膜來說，當(dāng)研究異質(zhì)結(jié)本身的鐵電性時，鐵磁層的分壓作用不可忽視;同時提供了一種有效的、定量的方式來分析LCMO層在多層異質(zhì)結(jié)薄膜上的分壓貢獻，這對研究鐵電/鐵磁異質(zhì)結(jié)的本征磁電耦合效應(yīng)以及相關(guān)器件設(shè)計很有幫助。
　　在第三章中，為了研究磁性電極電阻對外延BFO/LCMO異質(zhì)結(jié)介電性的影響，我們利用不同的電極配置，系統(tǒng)地測量了

6、Au/BFO/LCMO異質(zhì)結(jié)的介電性能，發(fā)現(xiàn)隨著LCMO底電極電阻的增加，Au/BFO/LCMO多鐵異質(zhì)結(jié)電容的實部有明顯的降低，且體系弛豫行為所對應(yīng)的頻率均向高頻移動。通過分析異質(zhì)結(jié)介電損耗隨溫度的依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)參與介電測量的底電極LCMO所占比例越多，異質(zhì)結(jié)的磁介電效應(yīng)也越大，但損耗tanδ的值也越大。通過研究不同電極配置下異質(zhì)結(jié)電容虛部隨頻率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對于任意的電極配置，異質(zhì)結(jié)的介電弛豫行為主要可等效地反映出Mn3+和Mn4

7、+之間的電子躍遷或轉(zhuǎn)移過程。上述發(fā)現(xiàn)對研究鐵電/鐵磁異質(zhì)結(jié)的磁介電效應(yīng)是很有幫助的，同時可以對相關(guān)器件設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用
　　在第四章中，我們通過電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)判斷出所生長的BFO薄膜中不存在Bi元素的缺失，這對分析半導(dǎo)體性質(zhì)的BiFeO3的半導(dǎo)體類型以及在Au/BiFeO3/La0.6Sr0.4MnO3(Au/BFO/LSMO)多鐵異質(zhì)結(jié)中界面肖特基勢壘的方向起到關(guān)鍵性作用;利用掃描透射電子顯微鏡(STE

8、M)對異質(zhì)結(jié)上下界面的晶體結(jié)構(gòu)進行了細(xì)致的表征，在BFO/LSMO界面處發(fā)現(xiàn)了存在明顯離子互擴散區(qū)域的中間過渡層，在Au/BFO界面處觀察到了“dead layer”。上述發(fā)現(xiàn)為后續(xù)分析異質(zhì)結(jié)阻變行為起源奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。
　　在第五章中，我們研究了Au/BFO/LSMO多鐵異質(zhì)結(jié)中電磁調(diào)控的可重復(fù)、區(qū)分度較高的三阻態(tài)行為。通過改變鐵電極化的方向，異質(zhì)結(jié)的電阻可以在三種穩(wěn)定非易失的電阻狀態(tài)之間切換且不需要電形成過程。這種非易失

9、的電阻轉(zhuǎn)換行為可以被歸結(jié)以下三個方面的共同作用:Au/BFO界面處的肖特基勢壘高度的變化、BFO/LSMO的界面電阻大小的變化以及BFO鐵電疇壁密度相關(guān)的電阻改變。使用異質(zhì)結(jié)矯頑電壓附近的脈沖電壓極化樣品后所觀察到的具有最高電導(dǎo)率的第三態(tài)在室溫下表現(xiàn)出明顯負(fù)磁阻效應(yīng)，通過宏觀電測量證明了BFO鐵電疇壁在室溫下的負(fù)磁阻效應(yīng)。以上的發(fā)現(xiàn)對我們深入理解多鐵異質(zhì)結(jié)中的界面效應(yīng)以及鐵電疇壁的鐵磁性對非易失電阻轉(zhuǎn)換效應(yīng)的影響，使得將自旋電子學(xué)引入阻