钙钛矿型多铁性异质结的界面调控磁电耦合效应研究

多铁性材料因蕴含复杂而丰富的磁电耦合效应以及巨大的潜在应用前景而成为当前材料科学及凝聚态物理的研究热点。本项目主要针对钙钛矿型铁磁/铁电多铁性异质结，采用脉冲激光沉积技术生长制备出高界面质量的铁电/铁磁外延异质结；借助于对样品的微观结构、磁、电和电子输运性能等的系统表征与分析，重点研究界面效应调控的异质结磁、电性能及磁电耦合效应在外磁场（电场）下的演化规律，分析并揭示磁电耦合效应的物理机制；并力求阐明界面效应与铁电膜介电极化特性、钙钛矿氧化物电荷-自旋-轨道及晶格自由度的关联耦合对多铁性异质结的自旋电子输运性质影响规律。本项目的研究，不仅对于深入理解界面调控铁磁/铁电异质结磁电耦合效应的物理机制具有重要科学意义，而且对探索多铁性异质结的应用奠定必要的实验与理论基础。

多铁性材料因蕴含复杂而丰富的磁电效应以及巨大的潜在应用前景而成为当前材料科学及凝聚态物理的研究热点。本项目着重开展了BiFeO3基单相多铁材料、钙钛矿型复合多铁材料与异质结的设计、制备与性能优化研究，并通过对材料微观结构、畴结构，以及磁学、电学与磁电耦合特性的表征，深入探讨了应变、取向、界面、铁磁电极厚度等因素对材料多铁性与磁电耦合特性的影响作用。同时，获取了具有优异磁电特性的BiFeO3基多铁性陶瓷材料与多种钙钛矿型多铁性磁电耦合异质结的优化制备工艺与性能优化技术。首先，通过利用碱土金属元素、3d过渡族金属元素与稀土金属元素在BiFeO3的A位与B位的共掺可有效实现BiFeO3材料的磁性与铁电性的共同优化，磁性可提高3-5倍，磁电耦合特性可提高一个数量级以上，是一种优化BiFeO3材料磁、电特性的有效方法。其次，利用脉冲激光沉积技术，在多种单晶衬底上，成功制备出具有不同择优取向、高界面耦合的La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3异质结，该异质结具有优异的磁、电特性与室温强磁电耦合。所有异质结的磁电电压系数值均比文献报道值高1~2个数量级。并且，通过对其微观结构、磁学、电学与磁电耦合等性质的表征，深入探讨了薄膜厚度、晶格应变、取向、界面耦合强度等因素对异质结磁电特性的作用机理。此外，构造了两种基于BiFeO3薄膜的“三明治”结构器件，这两种异质结构均具有优异的电致阻变特性。其一为采用脉冲激光沉积法生长Au/Bi0.8Ba0.2FeO3/ Nb:SrTiO3 (100)异质结构，该器件表现出优异的双极性电致阻变效应，在-1.5V电压下，其高、低阻态电阻值相差10倍以上，且具有良好的循环保持特性。其二，利用磁控溅射法在ITO导电玻璃衬底上制备出Au/非晶BiFeO3/ITO器件，该器件表现出良好的单极性电致阻变效应，其高、低阻态的电阻比高达133，该结果已明显优于文献报道的外延异质结构器件的结果。而且，该器件与外延异质结器件相比，明显具有制造成本低、工艺流程简单等优势。本项目的研究，不仅对于深入理解多铁性异质结的磁电耦合效应的内在物理机理具有重要科学意义，而且对探索具有新颖物性的多铁性异质结的设计与应用奠定必要的实验与理论基础。