多鐵異質(zhì)結(jié)中的磁電耦合效應(yīng).pdf

1、如今電子器件科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，使得日常生活中的各行各業(yè)對電子器件向微型化、多功能化以及低能耗發(fā)展的需求日益增強，甚至逐漸制約了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。人們寄希望于研發(fā)出同時表現(xiàn)出兩種或兩種以上可應(yīng)用功能性質(zhì)的新材料，以此為基礎(chǔ)設(shè)計能夠在單一單元的材料體系中展現(xiàn)多種功能的新型原型器件。身具諸多優(yōu)勢的多鐵材料因為同時具有鐵電和鐵磁等等鐵性有序以及它們之間的相互耦合效應(yīng)，受到人們的廣泛關(guān)注。然而，普通的單相多鐵材料都存在磁電耦合非常弱以及存在溫度低

2、等問題，無法實際工業(yè)應(yīng)用。于是人們將研究重點集中在如何科學(xué)合理地設(shè)計多鐵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，使得界面處的耦合強度增大，在納米尺度范圍內(nèi)調(diào)控磁電耦合。盡管目前人們在多鐵異質(zhì)結(jié)的磁電耦合研究中取得了可喜的進展，然而其中仍然存在著一些問題亟待解決，比如如何在大范圍區(qū)域內(nèi)的對磁矩取向?qū)崿F(xiàn)便利的非易失可重復(fù)的電場調(diào)控，如何利用電控磁矩轉(zhuǎn)動誘導(dǎo)各向異性阻變，以及如何在室溫、低場下實現(xiàn)可觀的磁介電效應(yīng)等等。本文研究了多鐵異質(zhì)結(jié)中的磁電耦合效應(yīng)導(dǎo)致的非易失磁矩

3、轉(zhuǎn)動和各向異性的阻變行為，探討了電場驅(qū)動下應(yīng)變誘導(dǎo)磁性變化的內(nèi)在因素，為純電場驅(qū)動的非易失存儲器件設(shè)計提供了研究基礎(chǔ);初步探索了外加磁場對多鐵異質(zhì)結(jié)的介電和鐵電性能的影響。本研究分為五個部分：
　　第一章主要綜述了多鐵異質(zhì)結(jié)中應(yīng)變效應(yīng)和電荷效應(yīng)誘導(dǎo)的逆磁電耦合效應(yīng)等方面的最新研究進展，重點介紹了鐵電單晶襯底壓電效應(yīng)引起的非易失磁變化，據(jù)此從幾個方面提出了當(dāng)前研究中仍然有待深入研究和解決的問題。
　　第二章制備了Co/0.7P

4、b(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(Co/PMN-PT)多鐵性異質(zhì)結(jié)，設(shè)計了一種新型的側(cè)面極化異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，使得磁性薄膜不會受到鐵電場效應(yīng)帶來的影響，同時引入更大的應(yīng)變效應(yīng)，從而可以實現(xiàn)純應(yīng)變誘導(dǎo)的磁電耦合效應(yīng)?；谶@種極化結(jié)構(gòu)，在室溫下的Co/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)的壓電應(yīng)變誘導(dǎo)的非易失磁矩轉(zhuǎn)動。通過引入磁彈各向異性與生長導(dǎo)致的界面各向異性的競爭以及鐵電翻轉(zhuǎn)瞬時電流的作用，我們不僅僅實現(xiàn)了可重復(fù)、非易失的90°的磁

5、矩轉(zhuǎn)動，更是在異質(zhì)結(jié)大范圍面積內(nèi)實現(xiàn)了非易失的180°的磁翻轉(zhuǎn)，這種翻轉(zhuǎn)過程無需任何外加磁場作用。如果再附加一個大小約為5 Oe的輔助磁場，這種180°的磁翻轉(zhuǎn)可以反復(fù)進行。隨著磁矩在異質(zhì)結(jié)中的轉(zhuǎn)動，Co薄膜的面內(nèi)各向異性電阻也伴隨著發(fā)生同步的變化?；贑o/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中這種壓電應(yīng)變誘導(dǎo)的磁矩轉(zhuǎn)動和面內(nèi)各向異性電阻的變化，我們可以設(shè)計電子單刀雙擲開光和兩輸入端的三態(tài)門器件等邏輯器件，或者替代磁場驅(qū)動的電場控制的自旋閥等存儲器

6、件。
　　第三章研究了在壓電應(yīng)變誘導(dǎo)作用下，Co/PMN-PT異質(zhì)結(jié)中與非易失的易磁化軸轉(zhuǎn)動同步發(fā)生的面內(nèi)各向異性電阻的變化。磁各向異性的Co薄膜中易磁化軸方向的電阻大于難磁化軸電阻。通過外加正負(fù)5 kV/cm的電場，各向異性電阻可以在7.7％和-9.4％之間變化。通過不同外加磁場下系統(tǒng)的各向異性電阻磁阻的測量表征，對Co薄膜中不同的磁矩轉(zhuǎn)動機制進行了研究討論。在低于磁各向異性場的轉(zhuǎn)動磁場作用下，兩種極化狀態(tài)的各向異性磁阻曲線表現(xiàn)

7、出近似于90°的相差，對應(yīng)于異質(zhì)結(jié)中Co薄膜的90°的磁矩轉(zhuǎn)動。在高于磁各向異性場的轉(zhuǎn)動磁場作用下，各向異性磁阻曲線表現(xiàn)出類似于cos2(θ)的非對稱曲線，對應(yīng)于異質(zhì)結(jié)Co薄膜中非對稱的磁矩轉(zhuǎn)動。極化電場調(diào)控的各向異性電輸運行為可以通過增加控制參量和實現(xiàn)非破壞性讀出為器件提供多功能性。
　　第四章報道了在La2/3Sr1/3MnO3/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中壓電應(yīng)變誘導(dǎo)的非易失的易磁化軸轉(zhuǎn)動，以及與磁各向異性相關(guān)的面內(nèi)各向異性電阻

8、。結(jié)合對多鐵異質(zhì)結(jié)面內(nèi)應(yīng)變、表面形貌和鐵電等性質(zhì)的表征，對LSMO薄膜初始磁各向異性的起源進行探究。異質(zhì)結(jié)中壓電應(yīng)變引起的磁彈各向異性與初始磁各向異性的相互競爭導(dǎo)致了LSMO薄膜易磁化軸的90°轉(zhuǎn)動。將LSMO薄膜進一步刻蝕成各向異性電阻測量電極圖案后，其形狀各向異性不會影響到薄膜本征的磁各向異性，LSMO薄膜的不同位置都表現(xiàn)出統(tǒng)一的易磁化軸取向。與此同時，LSMO薄膜的面內(nèi)電阻表現(xiàn)出與磁各向異性相關(guān)的各向異性電阻，易磁化軸方向電阻較小

9、，難磁化軸電阻較大。在不同外加磁場下，面內(nèi)各向異性磁阻表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)動行為。
　　第五章選用PbZr0.52Ti0.48O3制備PbZr0.52Ti0.48O3/La0.625 Ca0.375MnO3(PZT/LCMO)異質(zhì)結(jié)薄膜，獲得物理上更加簡單的磁界面，用以研究1 kHz到100MHz頻率范圍中不同磁場、溫度情況下異質(zhì)結(jié)的介電響應(yīng)過程以及鐵電性能的變化。我們觀察到異質(zhì)結(jié)在LCMO的TC的附近表現(xiàn)出52％的磁介電效應(yīng)。通過等效

10、RC回路的擬合分析，電子相分離的LCMO薄膜所引起的界面磁不均一性，使得PZT/LCMO界面在220 K表現(xiàn)出巨大的磁介電效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，從而使異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出溫度依賴的顯著的磁介電效應(yīng)。同時，我們還發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的鐵電性在TC附近以及TC以下也具有不同PZT本征性能的磁場調(diào)控行為:鐵電矯頑場和剩余極化強度在220 K附近隨外加磁場增大而減小，在220 K以下隨溫度減小出現(xiàn)異常變化。這些變化都主要來源于界面的電阻變化，可以分別用電壓降模型和空間