3d过渡金属离子共掺杂BiFeO3的多铁性和自旋电子学应用研究

BiFeO3由于其室温多铁性（铁电居里点~1100 K和反铁磁奈尔点~640 K）而引起了广泛的研究兴趣，但是由于其室温的反铁磁性和磁矩的螺旋结构，磁性非常微弱。通过离子掺杂等手段，利用反铁磁排列的Fe离子磁矩间的微小倾角获得的磁性增强仍然非常微弱，因而限制了其室温多铁性的应用。本项目将从三个方面开展研究：(1)系统的调制BiFeO3的晶体结构，特别是获得四方相的晶体结构，从而压制磁矩的螺旋结构，在获得近邻磁矩反铁磁线性排列的磁结构的基础上，利用3d过渡金属离子的共掺杂，引入亚铁磁性，以获得增强的室温铁磁性；(2)制备高质量的3d过渡金属离子共掺杂BiFeO3薄膜，研究在其铁磁性增强基础上的磁电耦合效应；(3)将高质量的3d过渡金属离子共掺杂BiFeO3薄膜应用于自旋过滤的隧道结结构直接调控电子的自旋，实现室温下多铁性材料在自旋电子学中的应用。

多铁材料中多种铁性共存，通过磁与电的相互耦合实现相互调控，具有重要的研究价值和应用前景。单相多铁材料非常稀少，同时具有高于室温的铁电性和反铁磁性的BiFeO3成为了研究的热点。然而要实现多铁性的应用，必须对其进行改性。.我们的研究工作主要针对BiFeO3的改性，特别是铁电性的改善与铁磁性的增加，通过离子掺杂以及外延生长技术调控BiFeO3的晶体结构和磁结构，利用各种表征手段，包括XRD，TEM，同步辐射等，对改性的BiFeO3进行深入细致的研究。并在此基础上，研究外加电场对磁性的调控。我们也同时探索新的多铁材料以及其他自旋电子学相关材料。.我们的工作取得了一系列重要的结果，包括：.1..通过离子掺杂实现了BiFeO3铁磁性的增强，并获得了增强的磁电耦合效应。在20%Ba掺杂BiFeO3块材中我们观测到了1.5x10-12 s/m的室温磁电耦合效应；.2..探索了利用脉冲激光沉积技术制备BiFeO3薄膜的工艺，获得了良好的电滞回线，饱和电极化值达到60 uC/cm2；.3..利用外延生长技术制备了BiFeO3/BiMnO3超晶格结构以及固溶体薄膜，都观测到自旋玻璃态，利用同步辐射技术确定了Fe与Mn离子间的反铁磁作用，分析了自旋玻璃态的不同来源；.4..利用LaAlO3衬底加NdAlO3缓冲层，通过外延技术制备了厚度达到480 nm仍然是单相的类四方相BiFeO3薄膜；.5..在Si衬底上成功制备了多晶BiFeO3薄膜，实现对NiFe铁磁层的有效钉扎，偏置场达到70 Oe；.6..通过La或者Y离子的掺杂，在改善BiFeO3的铁电性的同时，也改善了其与铁磁层的交换偏置效应；.7..通过BiFeO3与铁磁金属的交换偏置效应，在单晶BiFeO3薄膜以及多晶BiFeO3薄膜与铁磁层构成的双层膜结构，都实现了外加电场对被钉扎铁磁层磁性的有效调控，而调控的一次性则被认为部分来自于外加电场下界面铁磁金属层的氧化；.8..在结晶水的辅助下，利用固相反应低温下制备了K0.5FeF3，观测到了交换偏置效应，其机制则来源于颗粒表面的自旋玻璃态与反铁磁核之间的交换耦合作用；.9..利用水热法制备了BaMnF4，观测到了其由于磁电耦合效应诱导的交换偏置效应。.我们的工作有助于进一步深入了解多铁性机制，促进多铁性自旋电子器件的实现。