多铁性钙钛矿超晶格的设计、制备和物性研究

单相多铁性材料是一类过渡金属氧化物，在特定的温区同时具有铁电性和磁性，并具有磁电耦合。本项目以单相多铁性材料在小型化、多功能化的新一代信息存储和处理器件应用为背景，面对目前多铁性体系或磁电耦合较弱或耦合较强但铁电性磁性较弱、多铁性共存温度过低的困难，设计制备多种多铁性外延钙钛矿氧化物超晶格，希望突破自然材料的限制，化被动为主动，探索新型人工多铁性超晶格材料，推动多铁性新材料探索和实际应用的步伐，具有重要的科学意义和重大的应用前景。围绕上述目标，拟制备铁电/铁磁钙钛矿两组元超晶格和由钙钛矿磁性材料和钙钛矿电介质材料组成的三色超晶格两类体系，通过筛选超晶格组元材料物性、设计晶格对称性、晶格失配应变、层间耦合、界面电荷转移等人工设计的微结构参数，研究影响多铁性共存与耦合的关键物理因素，揭示多铁性特性与关联电子材料中自旋、轨道、电荷、晶格畸变等序参量的关系，实现若干性能优良的多铁性超晶格材料。

围绕钙钛矿氧化物的存储功能，针对钙钛矿晶体结构的人工设计和制备，本课题在钙钛矿人工微结构设计、制备和原型器件方面取得了重要进展，完成了任务书中的研究任务。.在人工微结构制备和表征方面，我们优化了激光脉冲沉积制备YMnO3、LaFeO3、BiFeO3、BiMnO3、（LaSr）MnO3等钙钛矿铁电、铁磁或多铁性薄膜的工艺参数，在SrTiO3、LaAlO3、LSAT、SLAO等一系列衬底上制备了外延薄膜或超晶格，用X射线衍射、透射电子显微镜等表征手段分析了薄膜的结构，并系统测量了电磁特性。.在多铁性器件方面，通过掺杂改性提高了BiFeO3薄膜的抗击穿场强、降低了漏电流，并且在Pr、Mn共掺杂的BiFeO3薄膜中观察到在菱方至四方的准同型相界附近剩余磁矩的增强；首次在钙钛矿{111}极性/非极性界面观察到二维电子气；首次设计金属/超薄铁电簿膜/半导体(MFS)铁电隧穿二极管结构，提出利用铁电极化调控势垒宽度，增强电致阻变，获得了铁电隧道结中迄今最大的电致阻变；采用力荷载极化超薄BaTiO3薄膜，将力学写入和电擦写相结合，应用到铁电隧穿阻变结构中，实现了力学写入和电学擦除，为纳米铁电存储提供了新的选择。.本课题已经在SCI刊物上发表论文14篇，包括Nature Materials论文1篇，Appl. Phys. Lett.3篇，同时申请国家发明专利2项。