复合多铁纳米结构的制备及其磁电特性的研究

Multiferroic materials, which simultaneously possess two or more ferroic orders and the coupling interaction between the different order parameters, could produce new effects. Multiferroic heterostructures composed of magnetic (M) and ferroelectric (FE) materials have attracted much attention due to their importance in exploring the magnetoelectric coupling effect. One of the key issues in the study of M/FE heterostructures by using the magnetoelectric coupling interaction is the electric-field control of magnetism. This study will not only be important in understanding the physical properties of the origin of ferroic orders and the micro-mechanism of the coupling interaction, but also a far outlook for the application in spintronics and other areas. In another aspect, nanotechnology which has emerged in the past century has played an important role in material science, biology and chemistry. Combine the advantage of nanotechnology and the investigation of multiferroic materials agrees with the tendency of overlapping in different scientific subjects and the demand of diminishing size in multiferroic devices for applications. In this proposal, we will utilize nanotechnology to prepare compound multiferroic nanostructures to investigation the magnetoelectric coupling in the micro/nano view, to realize non-volatile electric-field control of magnetization and useful multiferroic devices at room temperature, and further understanding the coupling mechanism between ferromagnetism and ferroelectricity.

多铁性材料同时具有两种或两种以上基本铁性，而且这些铁性之间可相互耦合而产生新功能。磁性材料和铁电材料构成的多铁异质结构因其在磁电耦合效应方面的重要性而受到越来越多的关注。研究这种结构的一个关键问题就是利用磁电耦合效应实现电场对磁性的调控。这方面的研究不仅对铁电、铁磁等基本铁性的起源及其相互耦合的微观机制等重要科学问题的理解具有重要的意义，而且在自旋电子学和其它领域有着广阔的应用前景。而纳米科学作为上个世纪出现的新兴学科，在材料、生物、化学等很多方面都有着深远的影响，将纳米技术与多铁材料的研究进行结合，既合乎科技创新中学科交叉的大背景，又符合多铁材料向着小型化、器件化发展的应用需求。本项目从铁电材料本身的微观特性角度出发，结合纳米技术对复合多铁纳米结构展开磁电耦合效应的研究，着力解决室温下"非易失"的磁电耦合效应，铁磁/铁电耦合机理，复合多铁材料小型化、器件化等关键问题。

基于应变调制的铁磁/铁电型复合多铁异质结构因其良好的室温工作能力、大的磁电耦合效应，在多铁材料的相关研究中占据着重要的地位，并且具有着较大的应用潜能。经过十余年的研究，复合多铁磁电调控从最初简单物理效应探索，逐步开始朝小型化、器件化方向发展。在此背景下，本项目主要进行铁磁/铁电型复合多铁纳米结构、异质结构的制备和磁电耦合效应的研究。课题研究从铁电和铁磁材料本身的微观特性角度出发，结合多铁纳米异质结的界面应力耦合特性，瞄准解决室温下“非易失”、“巨大”的磁电耦合效应、铁磁/铁电耦合机理以及复合多铁材料在小型/器件化过程中所涉及的关键问题等目标，具体开展了基于传统铁磁/铁电异质结的多种复合多铁结构电场调控磁性的研究，基于纳米阵列的新型铁磁/铁电复合多铁结构磁电耦合研究，以及基于铁磁/铁电的异质结的多铁器件研究。经过三年来的努力，项目组分别在电场调控磁性的“巨大”耦合效应、“非易失”性磁电耦合的微观特性与宏观机制、铁电极化翻转种类关联的空间分辨磁性调控、不同铁电相的电场调控磁性规律、室温可回复的电场调控磁化翻转、电致应变对磁化动力学的调控规律、多铁自旋阀电场调控巨磁电阻效应以及多铁隧道结电场调控隧穿磁电阻效应等众多方面取得研究突破，发表多篇高质量SCI论文。这些研究成果一方面从不同角度揭示了铁磁/铁电多铁异质结中两种材料通过铁电极化、电畴翻转、铁弹应变等耦合方式实现电场对宏观磁性和微观磁畴的调控规律和影响，丰富了磁电耦合的微观机理，推进了复合多铁异质结构向不同空间尺度（宏观、介观以及微观）开展磁电耦合研究，具有科学意义；另一方面，因其所获得的巨大电场调控磁性效应和在基于应变调制的铁磁/铁电复合多铁器件中电场调控自旋输运的相关探索，为多铁性材料在下一代高性能存储器件上的应用奠定了一定的研究基础，具有参考价值。