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(jìn)，使得日常生活中的各行各業(yè)對(duì)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(qiáng)，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(shí)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(jì)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(shì)的多鐵材料因?yàn)橥瑫r(shí)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(shí)際工業(yè)應(yīng)用。于是人們將研究重點(diǎn)集中在如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)多鐵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，使得界面處的耦合強(qiáng)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?cè)诙噼F異質(zhì)結(jié)的磁電耦合研究中取得了可喜的進(jìn)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(duì)磁矩取向?qū)崿F(xiàn)便利的非易失可重復(fù)的電場(chǎng)調(diào)控，如何利用電控磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)誘導(dǎo)各向異性阻變，以及如何在室溫、低場(chǎng)下實(shí)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(dòng)和各向異性的阻變行為，探討了電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下應(yīng)變誘導(dǎo)磁性變化的內(nèi)在因素，為純電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的非易失存儲(chǔ)器件設(shè)計(jì)提供了研究基礎(chǔ);初步探索了外加磁場(chǎng)對(duì)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(gè)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(jìn)展，重點(diǎn)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(gè)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(jì)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(huì)受到鐵電場(chǎng)效應(yīng)帶來的影響，同時(shí)引入更大的應(yīng)變效應(yīng)，從而可以實(shí)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(shí)現(xiàn)的壓電應(yīng)變誘導(dǎo)的非易失磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。通過引入磁彈各向異性與生長(zhǎng)導(dǎo)致的界面各向異性的競(jìng)爭(zhēng)以及鐵電翻轉(zhuǎn)瞬時(shí)電流的作用，我們不僅僅實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)、非易失的90°的磁

5、矩轉(zhuǎn)動(dòng)，更是在異質(zhì)結(jié)大范圍面積內(nèi)實(shí)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(chǎng)作用。如果再附加一個(gè)大小約為5 Oe的輔助磁場(chǎng)，這種180°的磁翻轉(zhuǎn)可以反復(fù)進(jìn)行。隨著磁矩在異質(zhì)結(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)和面內(nèi)各向異性電阻的變化，我們可以設(shè)計(jì)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電場(chǎng)控制的自旋閥等存儲(chǔ)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(dòng)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(chǎng)，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(chǎng)下系統(tǒng)的各向異性電阻磁阻的測(cè)量表征，對(duì)Co薄膜中不同的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究討論。在低于磁各向異性場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)于異質(zhì)結(jié)中Co薄膜的90°的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。在高于磁各向異性場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)作用下，各向異性磁阻曲線表現(xiàn)出類似于cos2(θ)的非對(duì)稱曲線，對(duì)應(yīng)于異質(zhì)結(jié)Co薄膜中非對(duì)稱的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。極化電場(chǎng)調(diào)控的各向異性電輸運(yùn)行為可以通過增加控制參量和實(shí)現(xiàn)非破壞性讀出為器件提供多功能性。
　　第四章報(bào)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(dòng)，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(duì)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(duì)LSMO薄膜初始磁各向異性的起源進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了LSMO薄膜易磁化軸的90°轉(zhuǎn)動(dòng)。將LSMO薄膜進(jìn)一步刻蝕成各向異性電阻測(cè)量電極圖案后，其形狀各向異性不會(huì)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(shí)，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(chǎng)下，面內(nèi)各向異性磁阻表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiǎn)單的磁界面，用以研究1 kHz到100MHz頻率范圍中不同磁場(chǎng)、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(shí)，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(chǎng)調(diào)控行為:鐵電矯頑場(chǎng)和剩余極化強(qiáng)度在220 K附近隨外加磁場(chǎng)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