外延Fe4N/BiFeO3异质结构的界面耦合效应及电场调控

The Perovskite Fe4N with the characteristics of high spin polarization, simple lattice structure, easy fabrication, high corrosion resisting, high antioxidation, good thermal stability, high saturation magnetization, high Curie temperature, etc is the potential canditate of spin injection source, which is important in the spintronic devices. BiFeO3 with high spontaneous polarization is the room-temperature multiferroic material with antiferromagnetic and ferroelectric orders. In this project, we will fabricate the epitaxial Fe4N/BiFeO3 heterostructures on single crystal substrates by magnetron sputtering. The effects of interfacial magnetoelectric coupling on the magnetic and electronic transport properties of the heterostructures will be investigated in details. The physical mechanism of exchange bias, anisotropy magnetoresistance, planar Hall effects, etc will be clarified. Based on the experimental and theoretical results, we will analyze the effects of electric field on the magnetization reversal of Fe4N in the heterostructures, and clarify the mechanisms of domain wall change, anomalous Hall effects, etc. The effects of the interfacial magnetoelectric coupling and electric field on the magnetization reversal will be investigated, and its mechanism will be clarified. The results in this project can make the physical phenomena in the ferromagnetic/ferroelectric heterostructures clear, which can provide the experimental and theoretical basis for the magneto- and electric-modulated spintronic devices.

钙钛矿结构Fe4N具有高自旋极化率、结构简单、容易制备、耐腐蚀、抗氧化、热稳定性好、饱和磁化强度高、居里温度高等优点，是自旋注入源的候选材料，在自旋电子学器件上具有重要的应用前景。BiFeO3具有高自发极化强度，是具有反铁磁序和铁电序的室温多铁材料。本申请项目拟在单晶基底上采用磁控溅射法制备外延Fe4N/BiFeO3异质结构；深入研究界面耦合效应对异质结构的磁性和电输运特性的影响，揭示交换偏置、各向异性磁电阻、平面霍耳等效应的物理机制；结合实验和理论，研究电场对异质结构中Fe4N的磁矩翻转的影响，揭示磁畴变化、反常霍耳效应等的物理机制。对铁磁/多铁性双层膜的界面磁电耦合与电场对磁矩调控及其物理机制的深入研究，可进一步丰富对铁磁/多铁性双层结构中物理现象的了解与认识，为其在磁电双调控的自旋电子学器件上的应用提供实验和理论依据。

在自旋转移力矩磁性随机存储器中，具有垂直磁各向异性的铁磁性电极的磁化强度可以通过小的临界电流来实现翻转，这有利于降低器件的能耗。因此，垂直磁各向异性的激发和调控成为人们研究的热点。具有高自旋极化率的铁磁性电极是多功能的自旋电子学器件的重要组成部分。同时具有垂直磁各向异性和高自旋极化的铁磁性材料有利于设计多功能的自旋电子学器件。.本项目在实验上，制备外延了Fe4N/BiFeO3异质结构，研究了结构、磁性和电输运特性。在理论上，研究了Fe4N/BiFeO3异质结构的电子结构、磁各向异性的调控和电输运特性。主要结果：1) 制备了外延Fe4N/BiFeO3异质结构，观察到明显的交换偏置效应和磁锻炼效应；2) 对于T-BiFeO3/Fe4N异质结构，终端、界面原子相对位置和T-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；3) 在施加双轴应力的情况下，FeAFeB/Fe-O2终端的T-BiFeO3/Fe4N异质结构中Fe4N的垂直磁各向异性受d1-d2轨道磁各向异性能振荡的保护。Fe4N中d1-d2轨道磁各向异性能振荡有利于垂直磁各向异性，而d1-d2轨道磁各向异性能稳定有利于面内磁各向异性；4) 在FeAFeB/Fe-O2终端的T-BiFeO3/Fe4N异质结构中，电场可以影响Fe4N的各层垂直磁各向异性。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；5) 在平行和反平行态下，Fe4N/T-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，产生负的隧穿磁电阻。同时，外加偏压可以影响Fe4N/T-BiFeO3/Fe4N隧道结中隧穿磁电阻的符号。6) La2/3Sr1/3MnO3/T-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穿磁电阻(-2504%)和隧穿电致电阻(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。7) 此外，还研究了多铁性材料对二维材料电子结构的影响，发现新的物理现象，并揭示其微观机制。研究结果为多铁性异质结构在新型自旋电子学器件上的应用提供了实验和理论依据。