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课题组： 米文博 磁性隧道结具有铁磁体/绝缘体/铁磁体结构，通过改变两个铁磁电极的磁化强度的相对取向可以产生磁性隧道结的高低阻态，从而出现隧道磁电阻效应。受磁性隧道结的启发，人们将铁电性材料作为势垒层，两边接入金属电极，构建了金属/铁电体/金属结构的铁电性隧道结。势垒层中铁电极化的翻转可改变铁电性隧道结的导电性，激发高低阻态，出现隧穿电致电阻。磁性隧道结和铁电性隧道结均具有电极/势垒层/电极结构，不同的是磁性隧道结采用具有自旋极化的铁磁性电极，而铁电性隧道结采用普通金属电极。人们将铁磁性电极和铁电性势垒层结合，构建了具有铁磁体/铁电体/铁磁体结构的多铁性隧道结。多铁性隧道结表现出四种阻态，并由势垒层中铁电极化方向的翻转和两端铁磁磁化强度的相对取向来控制。同时，在自旋电子学器件中，电场调控的磁各向异性具有重要的应用价值，因而受到人们的广泛关注。因此，高自旋极化铁磁性电极/多铁性异质结构的磁性和自旋相关电输运特性的调控在自旋电子学器件上具有重要的基础理论意义和应用前景。在国家自然科学基金面上项目的支持下，天津大学理学院应用物理系米文博教授课题组对Fe4N/BiFeO3多铁性异质结构的磁性和电输运特性进行了系统的研究。
图1 (a) FeAFeB/Fe-O2、(b) (FeB)2N/Fe-O2、(c) FeBFeA/Fe-O2和(d) FeAFeB/O2-Fe终端的Fe4N/BiFeO3异质结构中各原子层的磁各向异性，正值表示面内磁各向异性，负值表示垂直磁各向异性 对于Fe4N/BiFeO3异质结构，FeAFeB/Fe-O2模型中Fe4N的各原子层均表现出垂直磁各向异性(见图1)，在(FeB)2N/Fe-O2模型中FN-I和FN-II原子层表现出垂直磁各向异性， 说明FeAFeB终端比(FeB)2N终端更有利于垂直磁各向异性。在FeAFeB/Fe-O2模型中，Fe4N表现出垂直磁各向异性。BiFeO3的铁电极化方向可以影响Fe4N中I层的磁各向异性。上述结果说明Fe4N/BiFeO3异质结构的终端、界面原子相对位置和BiFeO3的铁电极化对Fe4N的磁各向异性具有重要影响。稳定的FeAFeB/Fe-O2模型表现出较强的垂直磁各向异性和高自旋极化率。详见Physical ReviewApplied 2016, 6: 064022。在双轴应力下，FeAFeB/Fe-O2终端的Fe4N/BiFeO3异质结构中Fe4N的垂直磁各向异性受d1-d2轨道磁各向异性振荡的保护(见图2)。Fe4N/BiFeO3异质结构中Fe4N的垂直磁各向异性或面内磁各向异性并不是由d1或d2轨道磁各向异性单独提供，d1和d2轨道对Fe4N的垂直磁各向异性和面内磁各向异性均有贡献。Fe4N中d1-d2轨道磁各向异性振荡有利于垂直磁各向异性，而d1-d2轨道磁各向异性稳定有利于面内磁各向异性。在-2%的应力下，FeAFeB/Fe-O2模型中Fe4N的垂直磁各向异性转变为面内磁各向异性，该转变并不影响Fe4N的高自旋极化率和磁矩。详见ACS AppliedMaterials & Interfaces 2017, 9: 15887-15892。在FeAFeB/Fe-O2终端的Fe4N/BiFeO3异质结构中，电场可以影响Fe4N的各层垂直磁各向异性，说明在Fe4N/BiFeO3异质结构中并未出现自旋屏蔽效应。外加电场引起FeAFeB/Fe-O2模型中费米能级附近FN-I-FeB态密度的明显变化，出现空间自旋极化率反转。详见Applied PhysicsLetters 2017, 111: 032404/1-5。
图2 不同应力作用下，Fe4N/BiFeO3异质结构的(a)结合能与(b-d)各层Fe4N的轨道磁各向异性分布，负值表示垂直磁各向异性，正值表示面内磁各向异性
图3 (a,b) 在不同电场下，Fe4N/BiFeO3异质结构中FN-I-FeB和BFO-I-Fe+原子的态密度。(c)在0、6和-6 mV/Å电场下，Fe4N/BiFeO3异质结构FN-I层的空间自旋极化率 在平行和反平行态下，Fe4N/BiFeO3/Fe4N多铁性隧道结具有不同的热点分布和界面共振隧穿态，产生负的TMR。同时，外加偏压可以影响Fe4N/BiFeO3/Fe4N隧道结中TMR的符号。详见Journalof Applied Physics, 2018, 123:033905。LSMO/BiFeO3/Fe4N多铁性隧道结中铁电极化和磁化状态调控的四种阻态具有大的隧道磁电阻(-2504%)和隧道电致电阻(12520%)。在线偏振光的照射下，多铁性隧道结中出现~100%自旋极化的光电流，该光电流的大小和方向可由多铁性隧道结的铁电极化和磁化状态调控，表现出多铁光伏效应。自旋、铁电和光之间的耦合为设计多场调控的多功能自旋电子学器件提供了理论基础(图4)。ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11: 1057-1064。同时，完成关于BiFeO3基异质结构的长篇综述文章，对BiFeO3基异质结构的结构和物性及物理机制进行了详细的评述(图5)，详见Nanoscale, 2020, 12, 477。
图4 LSMO/BiFeO3/Fe4N多铁性隧道结基多阻态器件示意图
图5 BiFeO3基异质结构的综述文章 |
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