全氧化物铁磁/多铁异质结磁电耦合效应研究进展

admin   2017-08-16 14:57:00   327

课题组: 白海力
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  钙钛矿全氧化物异质结界面存在着自旋、轨道、晶格和电荷重构,涌现出了不同于单相块体材料的奇异的新物理现象。尤其在将铁磁与铁电材料复合的人工多铁异质结中,界面处的磁电耦合效应引起了人们的广泛关注。通过外加电场或磁场翻转铁电极化或磁矩,能够诱导自旋、电荷或轨道有序的转变,实现界面处的磁电耦合效应。我系白海力课题组长期从事钙钛矿全氧化物自组装多铁异质结物理性质的研究,取得了一系列的进展。 

  首先,在样品制备上,课题组通过多年的积累与探索,制备出了一系列具有原子层平整度的钙钛矿铁磁、铁电氧化物。图1为用直流对向靶磁控溅射法在不同晶格常数的单晶衬底上制备的La0.67Sr0.33MnO3薄膜,可以清晰的看到层状条纹,表面起伏为几个埃。


  图1  不同衬底上的La0.67Sr0.33MnO3薄膜 

  通过应力调制,课题组在LaAlO3和SrTiO3单晶衬底上制备出高极化的四方相(T)和菱形相(R)BiFeO3,它的表面形貌和电畴结构如图2所示,左侧对应的是表面形貌,中部对应的是电畴结构图,右侧为机制示意图。 


  图2  T相和R相BiFeO3表面形貌及畴结构  

  制备高质量样品的基础上,课题组实现了外加电场对全氧化物铁磁/多铁异质结物理性质的调控。图3为电场对Mn:ZnO/BiFeO3多铁异质结磁性质调控的研究成果。在这个结构中,通过外加电场显著的调控了异质结的饱和磁化强度、各向异性等性质,右图是对应的物理机制解释图。


  图3 电场对Mn:ZnO/BiFeO3多铁异质结磁性质的调控  

  在CoFe2O4/PMN-PT多铁异质结中,课题组实现了电场诱导的应力对CoFe2O4磁性质的显著调控。这是源于PMN-PT基片产生的各向异性应力诱发了CoFe2O4薄膜中的八面体畸变,改变了其磁各向异性能。移除正负电场后,CoFe2O4薄膜的磁化强度并不能回到原始状态而且正负电场下磁化强度不相同。但在高氧气流量、原位退火的CoFe2O4薄膜(氧空位较少)在移除正负电场之后,磁化强度回到初状态。这是由于铁电场效应调控了CoFe2O4薄膜中的氧空位,进而影响了其内部的超交换作用,从而实现对其磁性的调控。因此,CoFe2O4薄膜的磁性受到应力和铁电场效应的共同调控,出现了四种不同的调控态。 


  图4  磁场对CoFe2O4/PMN-PT异质结电输运性质的调控  

  目前课题组在低温强磁场环境下,进一步外加光、电场对异质结物理性质进行调控,相关成果正在撰写及研究中。

  目前系列性工作已经在ACS Applied Materials & Interfaces、Scientific Reports、Applied PhysicsLetters、Europhysics Letters等期刊上发表:

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b05803 

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b07584 

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.5b02783 

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.5b11265 

  http://www.nature.com/articles/srep24568?WT.feed_name=subjects_surfaces-interfaces-and-thin-films 

  http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4997412 

  http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3659483 

  http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/110/47009/meta 

  http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/110/27005/meta 

  http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/105/17007/meta