磁性纳米结构对多铁性场效应异质结电控磁性的增强研究

Recently, multiferroic field-effect heterostructures have attracted large attentions due to their capabilities of direct controlling magnetic properties by electric field as well their compatibility to semiconductor MOS process, which are promising for new generation memories and logical devices (e.g. electric write and magnetic read data storage, and nonvolatile logical devices). However, for device applications, stable and strong electrical control of magnetic properties are demanded, which still remains a challenge. In this connection, we propose a new method to further enhance their magnetoelectric effects by using nanostructured magnets, taking advantages of their inherit size and surface effects. Our purpose is to explore the effects of nanodomains, size, and surface effects on the magnetoelectric properties of these structures, and their ability of further tailoring their magnetoelectric properties. To get a deep insight into the governing mechanisms, both theoretical simulation and experimental work will be employed. Finally, prototype devices will also proposed based on these investigations.

电场对磁性调控是当前多铁性材料和磁电效应研究领域热点。其中多铁性场效应异质结因可实现电场对磁性的直接调控，在技术上与现有半导体工艺相兼容，在新型低能耗存储和逻辑电路上(如四态存储器、非易失逻辑电路等)有广泛应用前景，而受到诸多关注。然而这种电场影响主要局限在界面层附近原子，其调控能力和可控性还有待提高。如果在异质结中引入磁性纳米结构，可由于尺寸和界面效应进一步影响电场作用的效果。申请人基于以往对纳米磁性实验和理论模拟研究基础，提出利用纳米结构及量子点对其磁电耦合特性进一步调控的设想。拟通过实验和理论相结合的方法，系统研究纳米尺度下微观畴结构、尺寸效应、和界面效应对这类异质结磁电耦合特征及相变行为的影响，深入探索其中磁电耦合机制，并进一步通过纳米材料设计提高其室温下磁电耦合性和可控性。我们希望通过纳米结构对磁结构和相变行为的调节，进一步放大电控磁性效果，以达到器件化需求。

电场对磁性调控是当前多铁性材料和磁电效应研究领域热点，有望用于建构新一代高密度、低能耗的非易失存储或逻辑器件。尤其是多铁性场效应异质结可实现电场对磁性的直接调控，在技术上与现有半导体工艺相兼容，在新型低能耗存储和逻辑电路上(如四态 存储器、非易失逻辑电路等)有广泛应用前景，而受到诸多关注。然而这种电场影响主调控能力和可控性还有待提高。本课题主要关注纳米结构铁电-铁磁场效应异质结，希望如果通过于尺寸和界 面效应进一步影响电场作用的效果，并通过理论与实验相结合的方法深入研究相互，获得磁电耦合增强的结构，并实现较为可控的电控磁性。主要结果为：1）本课题利用脉冲沉积方法及热蒸镀法制备了高质量的铁磁、铁电薄膜，如铁酸铋、钴铁氧体、钴膜等。2）并发展了孔氧化铝模板以及PS小球模板法等制备工艺，制备出高质量纳米尺度电、磁、铁场效应异质结多铁结构；3）建立蒙特卡罗与微磁学模拟模型，研究了纳米磁体的磁畴受形状与各向异性的影响，探索了不同形状的纳米电磁畴在电场作用下的变化，并厘清耦合机制。4）通过界面与大小的设计，在铁酸铋-钴铁氧体复合多层结构的纳米异质结阵列中观测到磁电耦合增强效应（0-3结构复合多铁约高2个量级），并实现了电控磁反转（但可控性有待提高）。另外设计了四方相铁酸铋薄膜-三角形磁性纳米钴点的结构，通过形状各向异性与界面耦合的协同调控，获得可控的120度电控磁反转，可多次往复反转，并具有很好的保持特性。这些工作，对电控磁性材料的应用化进程作出一定贡献。本工作发表SCI论文27篇(含中科院一区2篇，2区10篇），会议邀请报告6篇，培养毕业硕士生8名，在研博士生3名，邀请多位海内外专家进行交流访问，成果已超出申请预期目标。