多铁异质结中电场调控自旋交换耦合及其诱导铁磁反转

In order to resolve the current challenge of realizing prototype magnetoelectric (ME) devices based multiferroic materials, we proposed to develop the novel ME tunable memories based on the foundation of applicant’s previous work. The applicant will start with two different material systems: ferromagnetic (FM)/BiFeO3 and FM/antiferromagnetic (AFM)/ferroelectric (FE) multiferroic heterostructure, construct ME coupling and AFM/FM coupling to break the axis symmetry. Our task is, by exploring these two coupling in varied multiferroic heterostructure systems, to understand the inner mechanisms and build the mathematic model for simulation and forecasting correspondingly, ultimately, realizing electric field control of magnetization 180° reverse. By using simulation model and combining experimental results, we will carefully design and fabricate the ME memories to optimize the device functionality. Eventually, these results allow the development of next generation voltage tunable small, compact, fast, energy efficient and less noisy ME memories.

针对当前多铁材料研究领域亟待解决的器件应用问题，结合申请人现有的工作基础，选取电写磁读的磁电存储器作为研究对象，构建反铁磁/铁磁/铁电和铁磁/BiFeO3多铁异质结，探索不同材料体系中磁电耦合和反铁磁/铁磁交换耦合的共同作用，打破电场调控铁电基底应力的轴对称分布，阐明内在机理，并建立相应数学模型进行模拟和预测，最终实现电场调控磁化强度180度翻转。利用仿真计算，结合反铁磁/铁磁/铁电异质结电场翻转磁化强度的实验结果，指导和优化器件结构设计和开发，保证器件功能的最大化。为成功地设计并开发新一代低功耗、微型化、低噪声、超快响应的新型磁电存储器提供坚实的技术保障。

针对当前多铁材料研究领域亟待解决的器件应用问题，结合申请人现有的工作基础，构建了多种新型多铁性（外延）磁电异质结，研究了基于多铁性磁电异质结的电场调控磁各向异性、铁磁/反铁磁耦合、铁磁共振场、铁磁共振线宽、垂直交换偏置、超弹性等综合磁电性能，发展了相关定量评价以上磁电耦合特性的实验方法和实验手段，并在此基础上探索了新型物理场（静电场、应力应变场、光场等）、新型基底（柔性基底等）调控薄膜磁学性能的方法，然后通过第一性原理计算深入研究了其内部机理，为相关自旋电子学器件的研制奠定了技术基础。主要结果如下：1）：成功制备了FeCoB/Ru/FeCoB/PMN-PT多层异质结，实现了在不同厚度下铁磁耦合与反铁磁耦合的转变，以及外部电场下铁磁耦合与反铁磁耦合之间的非易失性调控；2）成功制备了Pt 4nm/IrMn 4nm/（Co 7Å/Pt 9.5Å）2/Ta 3 nm/PMN-Pt（011）多铁异质结构，实现了以应力为媒介的电控垂直交换偏置和以电荷为媒介的电控垂直交换偏置；3）通过脉冲激光沉积技术（PLD）在(001)SrTiO3(STO)基底上制备出BTO/Sr3Al2O6(SAO)异质结，在去离子水中溶解SRO得到无支撑的（Free-standing）BTO薄膜，实验发现该薄膜具有超弹性，并阐明铁电畴反转是薄膜柔性和超弹性的来源；4）制备了以柔性云母为基底的mica/Ta/(Pt/Co)x/Pt/ionic gel/Pt层合异质结，在其形变状态下，定量分析了极化柔性离子凝胶层在界面处电荷集聚和磁性材料形变过程带来的应力应变对于垂直磁矩翻转的作用，基于铁磁共振原理提出了柔性可调磁电耦合器件模型，对可穿戴微波器件的设计与研发具有重要意义；5）利用磁控溅射方法和旋涂法成功制备光-电-磁三重耦合的异质结SiO2/Si/Ta(4nm)/Co(xnm)/PTB7-Th:PC71BM(54nm)/Pt(3nm)，证实了可见光对异质结饱和磁化强度和铁磁共振的调控作用，运用第一性原理计算深入研究并揭示了其内部机理，为光伏自旋电子学器件铺平了道路。