钙钛矿锰氧化物体系应变场调控的磁、电性质和相关磁记忆效应研究

To realize the nonvolatile strain-field control of magnetism and electric properties on perovskite manganites films with reduced energy consumption is a significant and challenging task in the research of spintronics. In this item, the impact of the lattice strain-field with various characters on the electron occupation, charge-orbit-spin ordered/disordered arrangement, together with the response of the magnetic and electric properties such as magnetization, remanence and percolative transport to the strain-field, will be investigated to clarify the formation mechanism of the strain-induced magnetic memory effect on a micro-level. By studying the modulation of phase distributions, coexistence and competition with the external strain-field for the separated charge/orbit and spin ordering phases, we will realize the underlying mechanism of the electron-phonon coupling on magnetism and electric properties as well as magnetic memory effect. We also plan to study the variation of coupled ferroelectric and ferromagnetic domain structures under different strain-field and its correlation with the magnetic memory effect, so that the original nature of the strain-field control of magnetism and electric properties as well as the magnetic memory effect could be understand. This research would generate useful information for understanding the unique behaviors of perovskite manganites. From the view of application research, our studies may also be important for developing a novel magneto-electronics devices based on the strain modulated magnetic memory effect.

对钙钛矿锰氧化物薄膜的磁电特性实施低功耗、非易失性调控是当前磁电子学领域极具挑战性的任务之一。本项目以不同特征应变场对锰氧化物薄膜的轨道电子占据、电荷-轨道-自旋有序/无序排列等的影响为切入点，结合磁矩、矫顽力、剩磁、渗流输运等表观磁、电特性对应变场的响应规律，阐明应变诱导的磁记忆效应在轨道-电荷-自旋等微观层面的形成机制。研究锰氧化物相分离体系电荷、轨道及自旋有序相的分布、共存和竞争随应变场的变化规律，认识具有不同特征的相分离体系电声耦合对磁、电特性以及磁记忆效应的作用机制。研究关联耦合的铁电与铁磁畴结构对不同特征应变场的响应规律及其与磁记忆效应的关联，从而理解应变调控的磁、电性质变化及磁记忆效应的本源。通过本项工作不仅可加深对锰氧化物体系丰富机理的认识，而且对基于应变调控磁记忆效应的新型磁电子学器件的研究和设计也具有重要实际意义。

锰氧化物薄膜中应变传递的电控磁记忆效应与Jahn-Teller电声耦合，eg电子局域化、轨道择优占据以及相分离各相有序无序转变等在应变场作用下的演变密切相关。本项目以应变场对锰氧化物薄膜载流子局域化、电声耦合、相分离和渗流输运特性等的影响为切入点，研究了应变传导的磁、电调控机制及相关磁记忆效应：.1. 利用衬底的各向异性反压电效应，对宽能带Pr0.7Sr0.3MnO3薄膜中的电场调控磁性进行了研究。观察到了具有明显温度依赖性的面内各向异性的非易失磁性调控。其根源来自于热扰动能与各向异性应变场诱导的亚稳磁状态与基态间势垒的平衡。揭示了亚稳磁状态在压电应变传导的磁电耦合记忆效应中的重要地位，为设计新型热辅助电写入磁存储器件提供了极具发展前景的新技术。.2. 利用小极化子模型研究了(001)-PCSMO薄膜的电声耦合作用随晶格应变和空间受限条件下的演化特性，发现载流子局域度及电声耦合作用强度随面内晶格应变的增强而增大，且不同类应变具有不同响应；发现空间尺寸受限倾向于使载流子退局域化进而减弱电声相互作用强度，压制应变场对电声耦合作用的影响。揭示了晶格应变自身特性以及空间尺寸对载流子局域度及电声耦合作用强度起着关键性的作用。.3. 研究了LPCMO-PMNPT异质结构中相分离对各向异性应变传递的磁电耦合效应及电控磁记忆效应的影响。研究发现电场诱导的面内各向异性应变对薄膜磁性的影响机制在高、低温截然不同。在相分离体系中电场通过对电荷轨道有序相的有效调制，实现了具有较好温度稳定性的薄膜磁性非易失性调控。该项研究首次发现了电荷轨道有序在应变传递的磁电耦合作用中的重要作用，为有效调控电控磁记忆效应提供了新的思路。.4. 利用门偏压电场作用控制电子注入对La7/8Sr1/8MnO3-δ薄膜进行能带填充，实现了对铁磁电荷/轨道绝缘相、铁磁金属相以及JT畸变相之间竞争平衡的调控，首次发现了电子注入诱导的协同JT畸变相变。..共发表Sci论文12篇，包括Sci Rep. 1篇，Nanoscale 1篇，Appl. Phys. Lett. 3篇，邀请报告3项，发明专利4项。协助指导博士研究生3名（1名在读）。