电场对多铁性/铁磁薄膜中交换偏置效应的调控研究

Either electric control of magnetization or magnetic control of electricity through exchange bias is the key to probed the mechanism of interaction between physical ordered systems and obtain stable information storage. In order to reveal the origin of the magnetoelectric coupling in multiferroic material, as well as correlation between the interfacial exchange coupling and magnetoelectric coupling, so that investigate the mechanism of the electric-field control of exchange bias, we fabrite multiferroic/ferromagnetic films by pulsed laser deposition, through investigating the magnetic domain structure, coercivity, exchange bias and magnetoelectric coupling, carry out the following goal: (1) explore the film thickness and component effect on the exchange bias and magnetoelectric coupling. (2) obtain the method of electric control of exchang bias of multiferroic/ferromagnetic films, clarify the mechanism of inverse magnetoelectric coupling through comparing the exchange bias effects with electric field and no electric field. (3)investigate the magnetic properties of ferromagnetic/ multiferroic/ferromagnetic films, so that understand the relation between interlayers magnetic exchange coupling, interfacial exchange coupling and magnetoelectric coupling. This investigation may enable a new class of spintronic devices and magnetoelectric devices and broden the realization of magnetoelectric coupling effect and exchange bias effect.

基于交换偏置效应可以实现电控磁或磁控电的调控，是研究各种物理有序系统（铁磁序、铁电序等）之间相互作用机制和实现稳定多态存储的关键。为从机理上揭示多铁性材料中磁电效应及其与铁磁/反铁磁界面磁交换耦合的关联，进一步明确电场对交换偏置调控的机制，本项目将采用脉冲激光沉积技术制备多铁性/铁磁薄膜系统，通过对薄膜的磁畴结构、矫顽力、交换偏置和磁电耦合的研究，达到以下目标：（1）通过掺杂和控制膜厚，明确多铁层组分和厚度对交换偏置和磁电耦合的影响。（2）通过研究施加电场前后薄膜交换偏置的变化，力图阐明多铁性薄膜的逆磁电效应机制，建立电场调控多铁/铁磁薄膜交换偏置的方法。（3）研究铁磁/多铁/铁磁多层膜的磁性，了解层间磁交换作用、界面交换耦合与磁电耦合之间的关联，从而探究电场对交换偏置调控的机理。通过这些研究，加深对多铁性材料磁电效应机制和交换偏置内在机理的认识，为新型电子自旋器件和磁电器件设计提供指导。

交换偏置是在两种不同磁相界面处自旋交换耦合作用导致的一种磁效应，是自旋阀、磁随机存储器等磁电子器件的物理基础。项目通过对系列多铁性磁电薄膜材料、多铁性/铁磁薄膜材料和居里温度低于奈尔温度的铁磁/反铁磁薄膜的磁性、铁电耦合效应、界面交换耦合对交换偏置效应的影响的研究，明确了多铁层组分、厚度、界面微观结构对交换偏置和磁电耦合的影响。研究发现在多铁性/铁磁异质结构中通过界面的磁电耦合,可以用电场控制 多铁层的电极化方向, 从而控制铁磁材料的交换偏置。观察到了脉冲电压对交换偏置场和矫顽力的调控，在施加电压过程中不需要加磁场或磁场冷却。同时，也观察到没有电场情况下通过改变磁场冷却场方向，导致交换偏置发生由负到正的变化。传统的交换偏置效应需要从高于反铁磁奈尔温度开始实施磁场冷却，从而建立反铁磁层的磁交换各向异性,引起不同磁相界面处交换耦合。本项目的研究结果表明，在多铁性材料参与的交换偏置效应中，零场冷却下依然存在交换偏置效应。本项目的研究成果不仅能促进交换偏置的应用和物理机制的探究，而且有助于揭示多铁性材料的磁电耦合机制。可以为新型电子自旋器件和磁电器件设计开发提供理论及实验上的指导。