利用电场下锂离子迁移调控氧化物的磁性

As a subject with longstanding interest in spintronics, the electric-field control of magnetism has been widely studied due to its importance in both fundamental physics and information technology. However, in most present research the magnetoelectric effects are only limited to extremely small material volumes adjacent to the surfaces with low temperatures and high voltage. In this project, we propose to fabricate heterojunctions with structure similar to the solid-state lithium-ion battery using CoFe2O4 or Fe3O4 as anode materials. The de-intercalation of lithium ions in iron oxide spinel can result in changes of valence and lattice structure, thus yielding a large and fully reversible change in magnetization at room temperature under low voltage. During the de-intercalation process, we will make measurement of magnetism, valence and lattice structure. At the same time, we will calculate them by first principle calculation. Combining the experiment and calculation results, this project would clarify the microcosmic mechanism, pave new ways for electric-field control of magnetism and promote development of novel spintronics devices.

电场调控磁性在物理基础研究和信息存储应用中具有重要意义，已成为自旋电子学领域的研究热点。然而，目前磁性材料的电场调控大多局限于异质结界面处的有限厚度，而且通常在较低温度或较高电压下才显现较好的调控效果。本项目提出：以CoFe2O4、Fe3O4等磁性氧化物作为负极材料，制备类似固态锂离子电池结构的电控磁异质结。利用电场控制锂离子在磁性氧化物中的嵌入与脱出运动，调节材料晶格结构和元素价态的变化，实现室温和低压下磁性的大范围电场调控；在锂离子迁移运动过程中，同步测量负极材料磁学性质、物相结构、元素价态等参数的变化，分析磁性调控机制；根据第一性原理方法，计算分析磁性氧化物的晶格结构、电子结构、磁学性质随锂离子含量的变化规律，揭示利用电场下锂离子迁移调控氧化物磁性的微观机理。项目研究有望发展电场调控磁性的新途径，促进新型自旋电子器件的发展。

电场调控磁性在物理基础研究和信息存储应用中具有重要意义，已成为自旋电子学领域的研究热点。然而，目前磁性材料的电场调控大多局限于异质结界面处的有限厚度，而且通常在较低温度或较高电压下才显现较好的调控效果。本项目围绕电场下离子运动对磁性的调控，我们制备了Fe3O4、Fe2O3、CoFe2O4、FeCo、CoO等磁性薄膜或纳米颗粒；LiCoO2、LiPON、LiF等锂离子电池电极或电解质材料。基于这些制备的材料，我们设计了多种电场调控磁性结构，通过离子在磁性氧化物中的嵌入与脱出运动，调节材料晶格结构和元素价态的变化，实现室温和低压下磁性的大范围电场调控，实现了磁化强度、磁电阻、磁各向异性的调控。同时，在这个过程中，为了更好地利用锂离子运动调控材料磁性，我们对磁性氧化物的电化学性能进行了系统的研究。主要结果包括四个方面：1.ZnO-CoO复合势垒隧道结中离子运动对磁性的电场调控。2.FeCo/LiF/FeCo 磁性隧道结中离子运动对磁电阻的电场调控。3.基于准固态锂离子电池结构,利用电场下锂离子运动实现了Fe3O4磁性的可逆循环调控。4.合成制备了各种磁性氧化物，研究其电化学特性，为下一步锂离子运动调控其磁性奠定了基础。.总之， 本项目旨在通过离子运动调控磁性材料的各种磁学性能，设计制备各种电场调控磁性器件。我们阐明了离子迁移调控磁性的微观机制，获取了提升调控性能的理论依据；实现了电场对磁性的高效调控，为电场调控磁性提供了新的技术、方法与思路。