离子液体对重金属/铁氧体界面磁性的电场调控效应研究

Recent research has shown that high-density charges aggravated at the interface of the ionic liquid under an electric field can change the macroscopic properties of magnetic thin films, such as magnetic anisotropy, magnetoresistance, metal-to-insulator transition, etc. This phenomenon provides a new pathway to explore the magnetoelectric composite materials. Moreover, abundant phenomena including spin Hall effect and magnetic proximity effect are induced by spin-orbital coupling at the interface between the heavy metal and the ferrite. Therefore, how the ionic liquid interferes with the interfacial coupling under the electric field is of great significance both in physics and applications. In this project, high-quality epitaxial ferrite films will be grown by pulsed laser deposition, and ionic liquid/heavy metal/ferrite magnetoelectric heterostructures will be formed. The dynamics of the ferromagnetic resonance and anisotropy of the composites in the ionic liquid gating process will be monitored using the in-situ electron paramagnetic resonance technique. The control mechanisms, including ionic migration, electrostatic doping, and electrochemical reaction, will be studied to realize non-volatile, reversible tuning and large magnetoelectric coupling efficiency. This project will establish the foundation for the applications of magnetoelectric composites in tunable microwave and spintronic devices.

近期研究表明，在电场作用下离子液体表面积聚的高浓度电荷可以改变磁性薄膜的磁各向异性、磁电阻、金属绝缘体相变等宏观物性，这为磁电复合材料的探索提供了新的思路。此外，由于重金属/铁氧体界面处具有自旋轨道耦合诱导的自旋霍尔效应、临近磁效应等新奇现象，研究电场作用下离子液体如何对重金属/铁氧体界面耦合产生影响及其机理具有重要的物理意义和应用价值。本项目拟利用脉冲激光沉积技术制备高质量的外延铁氧体薄膜，构建离子液体/重金属/铁氧体磁电复合材料新体系，并采用电子顺磁共振技术，原位观测离子液体的电荷积聚对重金属/铁氧体复合薄膜的铁磁共振、磁各向异性等磁特性的动态调控过程，研究其中的离子迁移及静电掺杂、电化学反应等调控机理，实现非易失性可逆调控和较大的磁电耦合系数，为新型磁电复合材料在可调微波器件和自旋电子器件中的应用奠定基础。

在电场作用下离子液体表面积聚的高浓度电荷可以改变磁性薄膜的磁各向异性、磁电阻、金属绝缘体相变等宏观物性，这为磁电复合材料的探索提供了新的思路。此外，由于重金属/铁氧体界面处具有自旋轨道耦合诱导的自旋霍尔效应、磁近邻效应等新奇现象，研究电场作用下离子液体如何对重金属/铁氧体界面耦合产生影响及其机理具有重要的物理意义和应用价值。本项目利用脉冲激光沉积技术制备了高质量的外延铁氧体薄膜，构建了离子液体/重金属/铁氧体磁电复合材料新体系，并采用电子顺磁共振技术，原位观测了离子液体的电荷积聚对重金属/铁氧体复合薄膜的铁磁共振、磁各向异性等磁特性的动态调控过程，研究了其中的离子迁移及静电掺杂、电化学反应等调控机理，实现了非易失性可逆调控和较大的磁电耦合系数，为新型磁电复合材料在可调微波器件和自旋电子器件中的应用了奠定基础。研究内容及主要结果如下：1）研究了离子液体/重金属/铁氧体磁电复合材料中电场对磁性的原位调控效应，建了基于离子液体的Y3Fe5O12(YIG)/Cu/Pt磁电耦合新材料体系，通过在异质结上加载小的栅控电压，引起了金属/YIG界面磁近邻效应的显著变化，在室温下实现了100 Oe/V的磁电耦合系数。2）在柔性云母(Mica)衬底上制备了低阻尼因子的YIG外延薄膜，并将其与压电 PMN-PT相结合构成磁电异质结，获得了面内方向 95 Oe 的最大调控量，铁磁共振频率的调控达到175 MHz，微波磁电耦合系数达12 Oe·cm/kV。3）采用定量MOKE对电场作用下的磁畴演化过程进行原位观测，通过将磁畴数据的Kerr系数与校准函数加以比对，得到了不同电场下磁畴的磁化方向分布。4）基于磁电耦合材料制备了可调滤波器和磁场传感器，在Fe3O4铁氧体中实现了高达368 Oe/V的磁电耦合系数，并且该调控过程多次往复进行后无明显性能衰减；利用铁磁薄膜中应力介导的磁电耦合效应，设计了一种全桥结构的巨磁阻磁场传感器，实现了线性区和灵敏度的电压调控，显示了良好的应用潜力。