铁电铁磁氧化物薄膜的超快透射电镜研究

Ferroelectric and ferromagnetic oxides have widely applications in information technologies such as high density storage and sensor. The coupling between the electric polarization and magnetic order can extend the dimension of information storage and processing, which is one frontier of materials research. The introduction of femosecond laser can modulate the materials properties within ultrafast time scales. This project will use femosecond laser to generate ultrafast photoexicted strain behavior in ferroelectrics and then transfer the strain to ferromagnetic materials through heterointerface to modulate the magnetic properties. The ultrafast transmission electron microscopy can characterize the time-resolved (fs or ps time-scale) lattice vibration and structural evolution, providing the microstructure origin of the photoexicted ultrafast magnetoelectric coupling. This project will help to develop ultrafast data storage and sensor devices.

铁电和铁磁氧化物不仅有丰富的物理内涵，而且是重要的信息材料，广泛应用在高密度存储和感应器等领域。而两者之间电极化和磁性之间的耦合可以增加信息存储和处理的维度，是材料科学和信息技术发展的前沿。飞秒激光的引入，可以在超快时间尺度去激发和调控材料的性能。本项目利用飞秒激光引发铁电体中超快的应力应变，并通过外延薄膜生长技术构造异质界面实现应力应变向铁磁体的传递，进而改变磁性。超快时间分辨的透射电镜可以定量的对铁电铁磁中晶格振动和结构变化进行分析，为超快磁电耦合效应（基于应力应变机制）提供超快时间分辨的微观机理。本项目在超快时间尺度研究多场耦合，丰富了过渡金属氧化物的物理图像，并有助于在技术角度发展超高速存储和感应器件。

超快透射电镜研究是目前电子显微学研究的前沿，可以观测皮秒/飞秒尺度上材料受激光辐照过程中的晶体学演变。本项目主要进行铁电和铁磁氧化物的超快透射电镜研究，包括氧化物的微观结构、氧化物异质结构在激光辐照下的晶格演变（皮秒尺度）和应力传导及磁性变化。取得的成果包括：1）表征发现了钙钛矿锰氧化物/钛氧化物界面氧八面体倾转重构和对磁性的影响，以及调控八面体倾转的因素，为超快应力传导调控磁性提供了新的线索；2）研究了Ba0.5Sr0.5TiO3弛豫铁电体在飞秒激光辐照下的超快晶格动力学过程，通过超快透射电镜中的衍射模式发现激光可以诱导晶格的取向拉伸和收缩；3）通过原位加热和电子束辐照调控了铁电铁酸铋薄膜非晶到晶体化转变的过程，生成不同的纳米晶体结构；4）将反尖晶石结构和氮掺杂石墨烯复合，制备出高性能电池正极材料；5）通过Fe-Phen配合物和金属有机框架结合，制备出高质量Fe-N-C单原子催化剂以及性能优异的锌空气电池；6）在超快透射电镜搭建中取得了一些技术性的进展以及编写了用于超快透射电镜数据处理的高通量高精度处理软件。项目执行过程中发表高质量SCI学术论文4篇，其中一区论文3篇。