多铁性六角铁氧体有序微纳米结构的磁特性和磁电效应研究

There are rich magnetic and electric phenomenon in the multiferroic hexaferrites（MH）. The reported studies on MH concentrate mainly on the bulk materials and a few thin films. Results show that there are some differences between the magnetic and magnetodielectric properties of the bulk material and the thin film. When the size of the MH material was further reduced and the shape was changed, what will be the effects of nano-size and the shape anisotropy on the magnetic and magnetoelectric properties of MH? Can we realize the multi-field manipulation of the electric and magnetic properties of MH at micro-nano scale? In order to answer the above two questions, we are going to fabricate the ordered MH micro-nano unit arrays. Firstly, we will investigate the effects of nano-size, shape anisotropy and inter-unit dipole interactions on the multiferroic transition temperature, magnetic (including superparamagnetic size, skyrmion domains et’al) and magnetodielectric properties of the MH. Then, we will investigate the effects of electric field on the magnetic properties of single MH unit and the electro-magnetic properties of the MH unit array. Finally, we will establish the micromagnetic and equivalent circuit models with the experimental parameters to analyze the results, and explore the application potentials of the MH micro/nanostructures in the novel multi-field controlled micro/nano-size spintronic devices.

多铁性六角铁氧体（MH）材料具有丰富的磁学和电学性质。目前MH材料的研究集中在块材和少量的薄膜材料方面。研究结果表明MH薄膜的磁学和磁介电效应与块材有一定区别。那么当我们进一步减小MH的三维尺寸和改变其形状时，纳米尺寸效应和形状各向异性等对MH的磁学和磁电耦合性质有什么影响？能否实现在微纳米尺度对MH材料电磁性质的多场调控？我们的初步研究结果表明，仅减小MH薄膜的厚度，薄膜的磁性质就有显著的变化。因此，本项目拟利用脉冲激光沉积和微纳加工技术制备MH有序微纳米单元阵列，首先研究纳米尺寸效应、形状各向异性和微纳单元间的偶极相互作用对微纳单元的多铁性温度转变点、磁性质（包括超顺磁尺寸和斯格明子等磁畴特征）和磁介电效应的影响，其次研究外加电场对微纳单元的磁特性和图形化阵列整体电磁性能的调制特征，最后建立微磁学模型和等效电路模型分析实验结果，探索MH微纳结构在多场调控微纳自旋电子器件中的应用潜力。

本项目拟研究微纳米尺寸效应和形状各向异性对多铁性六角铁氧体有序微纳米结构的多铁性温度转变点、磁特性和磁介电效应的影响规律，掌握外加电场对多铁性六角铁氧体微纳米单元的磁性质和图形化单元阵列整体电磁性能的调控规律。本项目首先深入拓展研究了温度、成份和制备条件对BaFe10.2Sc1.8O19 (BFSO)、SrFe10.2Sc1.8O19(SFSO)和Sr3(Co,Zn)2Fe24O41多铁性六角铁氧体块材的磁性能、BFSO块材的介电性能和导电机制、BaFe12-xScxO19 (0≤x≤2.1)薄膜的成份和晶体取向对薄膜磁性能的影响，为后续薄膜和微纳米结构的研究提供对比数据和研究基础。接着，研究了不同厚度的BFSO纳米薄膜的磁性能、磁介电性能、电控磁性能和微波性能的多场（电场和应力）调控特性。然后利用AAO模板制备了不同尺寸的BFSO微纳米结构阵列，设计了有序微纳米结构阵列磁介电效应测试夹具一套，系统研究了其磁性能和磁介电性能。最后建立了六角铁氧体微纳米结构阵列微磁学模型，研究了BFSO微纳米结构阵列的磁化翻转过程，并与实验结果进行了对比。但在项目研究过程中发现六角铁氧体耐腐蚀性能很好，电子束光刻制备不同形状的多铁性六角铁氧体有序微纳米结构阵列难度较大且成本很高，最终我们选择了AAO模板法制备有序微纳米结构阵列。AAO模板法无法制备不同形状的微纳米结构阵列，因此我们只研究了圆形微纳米结构阵列的磁性和磁电性能。结果表明直径减小带来的形状各向异性对锥形螺旋磁结构产生的调制作用是导致其磁学性质变化的主要原因。对微纳米点阵介电特性的研究发现，测试漏电流等干扰因素会极大地影响其本征磁电耦合性能的表征。尽管如此，我们在BFSO微纳米点阵中依然发现了显著的磁介电效应。. 本项目的研究结果已经在《Physical Review Applied》和《Scripta Materialia》等杂志上发表SCI文章9篇（第一标注7篇，第二及第三标注2篇）；申请国家发明专利6项（已授权4项）和实用新型专利1项（授权1项）。目前有一篇文章已经从《Applied Physics Letters》 审稿返回修改，还有两篇文章正在投稿准备之中。本项目组培养博士研究生1名、硕士研究生3名、本科毕业生8名。