尺寸限域对于锆钛酸铅基纳米磁电复合异质结中畴结构及逆磁电效应的调控研究

The converse magnetoelectric (ME) coupling effect in multiferroic heterostructures is an effective way to electric field manipulation of magnetism, which is also the key for CMOS compatible spintronic devices with low energy consumption and non-volatile properties. But the room temperature ME coupling efficiency of thin film heterostructures is very low because of the problems in material system, temperature, interface and so on, which is a critical limit for practical applications. It has been reported that the interaction of ferroelastic domain, lattice structure, strains and polarization state may enhance the ME coupling effect at room temperature. But the mechanism of these interactions is not clear yet, and it is hard to modulate the selected ferroelastic domain with electric field. According to the dimension confining effect on the domain structure, this project will fabricate PZT based heterostructures with different size via a stencil assisted epitaxy process; and systematically study the size confining effect on the domain structure, strain transfer and magnetic anisotropy in these samples. The interaction of domain switching and the corresponding converse ME coupling with the modulation of both SPM and applied electric field will also be studied. This project will reveal the local process and mechanism of correlation within different interactions such as polarization, magnetization, lattice structure and so on, providing new pathway and useful experimental references to full electric field controllable spintronic devices.

多铁性磁电复合异质结构中的逆磁电效应是实现电场调控磁性的有效途径，对构建与CMOS电路兼容的低功耗、非易失性自旋电子器件有着重要意义。但受到材料体系，温度，界面质量等诸多因素的限制，室温薄膜体系中的磁电耦合效率依然较低，严重阻碍了其实际应用。研究表明材料中铁弹畴与晶格结构、应力、极化状态的同时关联是实现室温强耦合的有效机制，但目前对于其相互作用的过程与机理仍不清楚，难以用电场实现对特定畴结构的选择性调控。本项目以尺寸限域效应对体系畴结构的影响为切入点，通过约束外延技术制备不同尺寸的锆钛酸铅基纳米磁电复合异质结，系统研究尺寸变化对于体系中畴结构分布、应力传递、磁各向异性的影响；并结合扫描探针的局域电场和宏观外电场调控研究受限畴结构的翻转与逆磁电耦合的对应关系，为揭示异质结构中电、磁、晶格等多自由关联的微观过程与作用机制，开发新型的全电场可控磁电子学器件提供新的思路和有效实验参考。

本项目以探索磁电复合体系中界面应力耦合与畴结构演变规律，开发新的功能复合异质结材料和器件为目标，发展了约束外延和衬底剥离工艺，成功制备出不同尺寸的高质量铁磁/铁电纳米复合异质结构；利用SPM技术建立了纳米尺度下表征材料局域电、磁及其耦合特性的有效方法，实现了对于材料特定区域中极化畴弛豫前后引起的电荷转移特性扫描，相比于传统的I-V测试方法速度提升了3个数量级；利用所制备的自支撑薄膜，建立了弯曲形变对体系结构应力和关联极化（磁）畴结构的连续调控方法；成功将聚焦离子束刻蚀技术和二次离子质谱分析引入材料晶体结构成分和关联特性研究。本项目将材料结构和物性研究应用到新型电子学器件的设计与构建中，成功制备了基于PZT自支撑磁电复合探测器原型器件和PZT/AlGaN/GaN铁电场效应晶体管原型器件，为进一步研究与CMOS工艺兼容的低功耗、非易失性自旋电子器件提供了实验基础。为尺寸限域体系中调控特定畴翻转，研究应力传递及逆磁电效应关联演化的一般动力学过程提供了实验参考，所开发的新型磁电耦合元件可以突破传统弱磁场探测的局限，实现弱磁场信号的压磁-压电转换，具有全固态、无源和易集成优势，与GaN基器件的结合能实现信号探测、放大与高速转移的结合，为开发新型电子学器件提供新的思路和参考。