多铁性复合薄膜的制备、磁电调控与原型器件

Multiferroic composite thin-films have provided a great potential for developing novel information storing and processing devices, and tunable magnetoelectric devices based on integrated both ferroelectrics and magnetism, therefore they have recently become a new research hot topic. This project focuses on composite thin-films of ferroelectric oxides and magnetic metals. Combining fine experiments and phase-field modeling method, we plan to study the multiferroic effect and its physical mechanism in these composite heterostructured thin films. The ferroelectric-magnetic composite heterostructured thin films will be grown by using techniques like laser MBE. By developing phase-field method, we will model the interaction between ferroelastic domains/ferroelectric domains and magnetic domains, formation dynamics and controlling mechanism of the domain structures, revealing new physical effects behind. We will detect the effect of polarization charges on interface spin-orbital interaction and macroscopic properties, and try to understand at atomic scale microscopic mechanism of the spin-charge-orbital interaction. We will carry out reversible controlling by using low field at room temperature, especially, electric-field controlling of magnetization reversal. Based on understanding of the physical mechanisms, we will explore, based on the composite thin films, novel tunable magnetoelectric devices with superlow power consumption and fast information processing etc, establishing a firm foundation of the practical use and multifunctionalization of the multiferroic devices.

多铁性复合薄膜为发展基于铁电-磁性集成效应的新型信息存储与处理以及可调磁电器件提供了巨大潜在应用前景，已成为近来国际上一个新的研究热点。本项目主要针对铁电氧化物－磁性金属复合薄膜，通过结合精细实验和相场模拟方法深入研究这种复合异质结构薄膜体系的多铁性效应以及内在物理机制。利用激光分子束外延等技术，构筑铁电-磁性复合异质结构薄膜；通过发展相场方法，模拟研究在介覌尺度上的铁弹畴/电畴—磁畴等相互作用、畴结构的形成动力学与调控机制，揭示新的物理效应；探测极化电荷对界面自旋、轨道等相互作用和宏观磁性的影响，弄清原子尺度上的自旋—电荷—晶格相互作用的微观物理机制；实现室温低场的可逆调控，特别是实现电场控制的磁反转。在理解其物理机制的基础上，探索基于复合薄膜的超低功耗、快速信息处理等新型可调磁电器件，为实现多铁性器件的实用化和多功能化奠定基础。

多铁性材料不同序参量间的耦合作用在新型磁电器件、自旋电子器件、新一代信息存储器件等领域展现出巨大的潜在应用前景。本项目以铁电-磁性复合薄膜为研究对象，从相场模拟和实验两方面研究了多铁性复合异质结构薄膜体系的多铁性效应以及内在物理机制。 理论上提出了多种纯电压调控磁化强度 180 度翻转的物理机制，多种磁电存储器件构型，以及新型面外电压驱动的磁涡旋畴基的磁电存储单元。实验上，在多种铁电/铁磁复合异质结构中实现高质量复合异质结构的构筑，探索了极化电荷对界面自旋、轨道等相互作用和宏观磁性的影响，从原子尺度上理解多种自由度相互作用的物理机制，成功实现对复合薄膜界面状态以及界面耦合的室温电场调控，特别是实现电场控制的磁反转。利用脉冲激光沉积方法实现了大面积、高密度和自组装的铁电BiFeO3纳米岛生长，提出了一种利用铁电畴壁进行信息存储的方式，并验证了电压可控的高开关比，以及稳定、可重复擦写的非易失性畴壁导电，将推动低能耗铁电畴壁电子学和存储器件领域的应用。.项目共发表学术论文64 篇，获得国家发明专利授权4 项，发明专利公开4 项。国际国内会议特邀报告20余人次。参与组织了2 次国际和4 次国内多铁性材料分会。培养毕业了博士研究生8 人、硕士生3人、出站博士后3 人。