低维多铁性材料拓扑畴结构的形成机理与调控研究

Topologic structures in multiferroic materials such as ferroic votex, skyrmion, meron etc. are attracting much attention both as a playground of unique physical phenomena and for potential applications in reconfigurable electronic devices. The aim of proposed project is to fabricate a series of multiferroic materials which possess both chiral magnetic and ferrielectric properties. Base on the relationship of structure and properties, we propose to fabricate nano-dots and short period superlattice multiferroic materials using pulsed laser deposition. Based on scanning probing microscope technology, we will investigate the response of typical topological defects in multi-field. The cross coupling among polarization, charge, spin-orbital etc. will be investigated. We will also carry out the manipulation of typical topological structures in the prepared multiferroic thin films. The proposed project can serve as a new powerful probe to investigate and control the ferroelectric and magnetic ordering in multiferroic materials, which will benifit the design, fabrication and optimizing of devices.

多铁性材料同时具有铁电性、铁磁性、铁涡性、铁弹性等多种性能，在信息存储领域具有极大的应用潜力。多铁性材料中的特征拓扑结构如铁电涡旋，磁性斯格明子等具有丰富的物理内涵和潜在应用价值，受到越来越多关注。然而目前对这些拓扑结构的形成机理及磁电耦合机制还有待深入研究。本项目以发展一类同时具有手性磁拓扑畴与铁电性的新型多铁性材料为目标，充分考虑结构与性能的紧密关系，首先利用激光脉冲沉积法制备多铁性薄膜，通过制备纳米点结构和短周期超晶格，获得具有特征拓扑结构的多铁性材料。利用新型扫描探针对薄膜中的特征畴结构进行表征和调控，以及建立力-电-磁多场耦合模型，分析不同微观机制下，薄膜中的特征拓扑结构在多场作用下的响应，探究极化、电荷、自旋轨道间复杂的交互作用，实现纳米尺度多铁材料的表征和局部调控。为多铁性磁电材料的制备和表征提供理论和实验基础，最终为新型信息存储器件设计、制备和优化奠定基础。

随着信息产业的发展，本着对高速度、大容量、高密度等更佳性能的追求，人们对器件的集成化和小型化提出了越来越高的要求。于是，多铁性材料的研究受到越来越多关注。多铁性材料由于包含两种或多种不同的有序态，使得人们在设计集成器件时有更大的自由度。本项目面向新型存储器件需求，针对多铁性材料中的拓扑畴结构和磁电耦合特性开展了一系列研究。首先，利用脉冲激光沉积和溶胶凝胶法制备了多铁性材料，通过细致调节薄膜制备工艺，实现了高质量多铁性复杂氧化物薄膜和异质结的生长，并对其磁电耦合性能进行了表征。原位观察到复杂氧化物薄膜拓扑畴结构，并采用扫描探针显微镜对畴结构的多场耦合特性进行了一系列研究。在器件应用方面针对异质结材料界面阻变特性开展了研究，观察了在原子尺度上铁电极化与阻变特性的关系，发现在7个原子层以内，铁电极化翻转与阻变特性无明显关联性，为超薄膜铁电存储器件的开发提供研究基础。