钙钛矿型铁磁/铁电外延异质结的磁电效应研究

多铁性材料因蕴含着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国际前沿和研究热点。本项目主要针对钙钛矿型铁磁/铁电多铁性平面异质结体系，采用激光分子束外延技术将铁电（或铁磁）薄膜外延生长在铁磁（或铁电）单晶基片，通过生长控制及外延生长工艺优化，获得高界面质量、高机械弹性耦合的外延异质结；通过系统研究外磁场（电场）下，异质结的磁、电性能及磁电耦合效应的演化规律，分析并揭示磁电耦合效应的物理机制，为获得室温大磁电效应的铁磁/铁电异质结系统提供材料学基础。本项目的研究，不仅对于深入理解铁磁/铁电异质结体系的磁电耦合效应的物理机制具有基础科学意义，而且对于探索室温大磁电效应材料体系具有工程意义。

多铁性材料因同时具有铁磁、铁电性能及丰富的磁电耦合效应成为当前材料科学及凝聚态物理研究热点。本项目首先通过对生长工艺的优化获得了高晶体质量的外延铁电、铁磁薄膜及其异质结；然后，系统研究并获得了铁电极化（或铁磁极化）对铁磁/铁电（铁电/铁磁）异质结的磁、电性能的影响规律及相关机理，并研究了多铁性铁酸铋（BFO）薄膜的局域漏电行为、阻变行为及相关机理。本项目取得的主要成果如下。.(i) 通过在外延生长过程中RHEED原位监控，及外延生长后对薄膜和异质结表面、界面、外延取向、晶体质量等系统分析，反馈并优化了生长工艺，获得了高质量的外延铁磁、铁电薄膜及铁磁/铁电（铁电/铁磁）外延异质结。例如，外延的PTO薄膜（001）峰半高宽仅为3.2 arc min，为目前国际上最小值。.(ii) 系统研究了铁电/铁磁（铁磁/铁电）体系的磁、电性能及磁电耦合效应及相关机理：对于PZT/LSMO异质结，研究表明LSMO铁磁层的电阻特性对PZT的极化有强烈响应（0.4V极化电压使LSMO电阻变化高达45.5%），LSMO的磁学特性对PZT的极化几无响应，而PZT铁电性能对LSMO的磁极化有较强的响应；对于LSMO/PMN-PT异质结，结果表明PMN-PT铁电单晶衬底在10 kV/cm极化电压下，不仅可显著改变LSMO铁磁层的电子输运性能（电阻变化达25.5%），还能有效调制LSMO层的磁学特性（磁矩变化高达18.3%，居里点提高6K）； P(VDF-TrFE)铁电薄膜对AlGaN/GaN二维电子气系统的电子输运性能有显著的影响，通过外加电场改铁电薄膜的极化强度，能有效调制二维电子气的迁移率和载流子浓度，载流子浓度的调制幅度高达235%。.(iii) 研究了BFO薄膜的局域漏电特性、阻变行为及机理：研究表明导电通道主要存在于BFO薄膜的晶界，且非晶BFO层是抑制电荷输运的阻挡层，能有效减小漏电流，对解决BFO器件的漏电问题具有重要的科学与工程意义；研究表明Au/BFO/Pt结构在直流和脉冲电压下都表现出优异的整流特性和极高的开关比，且有超过十万次的循环寿命，对于研发新型多铁RRAM器件具有重要意义。. 本项目的研究成果具有一定的科学意义和工程价值，在JAP、JCG等刊物上发表了10多篇SCI论文，还有1项授权中国发明专利。