高质量铁磁/铁电外延异质结的界面耦合机制和“铁电畴-磁畴”相互作用的调控机理研究

Developing the novel multiferroic heterostructures, understanding the interfacial coupling mechanisms, and improving the magnetoelectric performances are the key scientific problems for their applications in multiferroic magnetoelectric devices. In this project, ferroelectric/ferromagnetic heterostructures will be fabricated through precise control of the interfacial coupling of heterostructures at the atomic scale by laser-assisted molecular beam epitaxy (L-MBE) technique. The controllable growth mechanism of epitaxial heterostructures will be studied systematically. The effects of mechanism and efficiency in the interfacial transport, distribution in thin films, and the interface characteristics (such as crystallinity, lattice mismatch, interface oxidation, interface atomic diffusion, and interface atomic defects) for elastic strain on magnetic-force-electric coupling will be investigated. The interaction between ferroelectric domains and magnetic domain, formation dynamics and controlling mechanism of the domain structures manipulated by electric fields will be investigated. At the same time, the improved theoretical model of interface-mediated magnetoelectric coupling will be proposed by using the computational simulation. The research on the above problems reveals the intrinsic physical mechanism of magnetoelectric coupling in multiferroic heterostructures and optimizes the interface coupling of the heterojunctions. It is very promising for the design and fabrication of the multiferroic heterostructured thin films with giant magneto-electric effect at room temperature and low field. Therefore, the research on these problems above is very important for promoting the practical process of film based magnetoelectric devices.

构建新型多铁性异质结，理解界面耦合机制、改善磁电性能是其应用于多铁性磁电器件所要解决的关键科学问题。本项目利用激光分子束外延技术构建铁磁/铁电异质结，在原子尺度上对异质结的界面耦合进行精确调控。系统研究外延多铁异质结的可控生长机制；研究弹性应变在界面传递的机制和效率以及应力分布、界面特性(如结晶性能、晶格失配、界面氧化、界面原子扩散情况、界面原子缺陷等)对“磁-力-电”耦合性能的影响规律；研究电场驱动下“铁电畴-磁畴”相互作用、畴结构的形成动力学与调控机制。同时利用计算模拟完善多铁性异质结的界面调控磁电耦合的理论模型。通过上述问题的研究，揭示多铁性异质结中磁电耦合的内在物理机制，从而优化异质结的界面耦合，实现室温低场下具有强磁电响应的多铁异质结的设计与制备。上述关键问题的解决对推进新型磁电器件的实用化进程具有重要的科学意义。

制备高质量多铁性异质结构薄膜，弄清磁电响应的内在物理机制，是其应用于信息存储和自旋电子学等领域的关键问题。在本项目中，获得了以下主要研究结果：.1）制备了Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3 (PMN-PT)铁电薄膜，引入的SrRuO3(SRO)电极层可以有效提高PMN-PT薄膜的铁电性，随着厚度的增加，由单畴结构向多畴结构转变，多畴结构的畴尺寸随厚度先减小后增大，而薄膜铁电性具有非挥发性的临界厚度为6 nm。.2） 制备了CoFe2O4 (CFO)/PMN-PT异质结，薄膜的各向异性场在电压作用下可从841 Oe (80 V)变化至608 Oe (200 V)。薄膜的面内磁化方向在交流电压作用下（无磁场）可以实现反向，磁电响应为应力/应变耦合机制。以SRO为缓冲层生长的高度外延CFO/PMN-PT异质结薄膜具有明显的磁各向异性；异质结的逆磁电耦合体现出应力诱导与界面电荷诱导两种作用机制，增加铁磁层厚度削弱了界面电荷对逆磁电耦合的作用。.3）制备了Fe3O4/PMN-PT (001)异质结，在Verwey转变温度(Tv=120 K)点，Hc和Mr/Ms均达到最大值，分别为358 Oe和95%，并出现体自旋波共振模式，发生共振模式转变的临界角为82°，在6.7 kV/cm的直流电场作用下，Mr/Ms变化了43%。制备了Fe3O4/PMN-PT (011)异质结，驱动电场为6.7 kV/cm时，铁磁共振场的位移高达-483 Oe。此外，在电场作用的同时，旋转样品的方向从θ=90º H// )至θ=0º(H//[100])的过程中，得到了巨大的铁磁共振场的移动(从251 Oe升至9681 Oe)。.4）制备了La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO)/PMN-PT异质结，在LSMO中发现了具有周期性结构纳米磁畴，即[101]和[001]取向的磁性纳米基质。在高温下实现了可观的磁阻，在300 K以上达到约-67%。此外，通过电压对PMN-PT施加的双轴应变，LSMO的电阻可被电场调节为多种电阻状态，这些磁畴边界可增加约14.2%的电导率。[101]-[001]磁畴交界是自发的，其厚度在1 nm以内，可以调制自旋极化载流子到不同的散射场景。.上述研究结果对推进新型磁电存储和微波器件的实用化进程具有重要的科学意义。