弛豫型复合多铁异质结构磁电耦合效应的微观表征研究

The Ferromagnetic/Ferroelectric multiferroic heterostructures composed of ferroelectricity and ferromagnetism have broad application prospect in new electro-magnetic components, spintronics and high–performance information storage and processing. Compared with non-relaxation ferroelectrics, the strong-relaxation ferroelectrics have micro-domains with nano-meter sizes, which become macro-domains and experience phase-transition under electric fields, while the macro-domains break into micro-domains with temperatures increasing. Therefore, investigating the electric field control of magnetization in relaxor-based multiferroic heterostructures in contrast to non-relaxation ones, as well as the influence of temperatures are of great scientific and practical importance. This project adopts advanced micro-characterization means to reveal the origin of the large electro-magnetic coupling in strong-relaxation multiferroic heterostructures and study the influence of macro-micro transition to the electro-magnetic coupling. The result of the project is expected to deepen the understanding to novel phenomena in relaxor-basedmultiferroic heterostructures, and provide valuable information for application research.

铁电序和铁磁序相互耦合得到的铁磁/铁电多铁异质结构在新型磁电器件、自旋电子学器件、高性能信息存储与处理器件等领域具有巨大的应用前景。弛豫型铁电体相比非弛豫铁电体，其电畴为纳米尺度的微畴，在电场作用下生成铁电宏畴，并易发生电致相变，而宏畴在升温时会重新退化为微畴。因此，在研究基于弛豫型铁电体的铁磁/铁电多铁异质结构中，电场调控磁性的行为与基于非弛豫铁电体的铁磁/铁电多铁异质结构的比较，及其随温度的变化，具有重要的科学意义和应用价值。本课题从微观铁电畴、铁电相和铁磁畴角度出发，采用先进的微观表征手段，研究基于弛豫铁电体的铁磁/铁电多铁异质结构中，产生巨大的非挥发电场调控磁性的本质，及铁电宏畴-微畴转变对电场调控磁性影响的机制。本项目研究预期会加深对多铁异质结构中新奇现象的理解，并为应用提供有价值的参考。

铁磁/铁电多铁异质结构在新型磁电器件、自旋电子学器件、高性能信息存储领域具有巨大的应用前景。强弛豫型铁电体由于电畴尺寸较小，铁电性较弱，相比弱弛豫型铁电体具有更加丰富的物理。本课题以弛豫性较强的CoFeB/PMN-0.18PT复合多铁体系为研究对象，首次报导了PbTiO3含量较低的PMN-0.18PT单晶在电场的作用下发生R-T相变，并导致CoFeB/PMN-0.18PT复合多铁体系非挥发的电控磁行为，该结果对深入了解CoFeB/PMN-xPT复合多铁体系的非挥发电控磁行为具有重要价值。另外，为深入了解弱弛豫型CoFeB/PMN-0.30PT复合多铁结构的电控磁特性的微观机制，首次研究和报导了在同一CoFeB(介观小岛)/PMN-0.30PT复合多铁结构样品的不同局域小岛上观察到了不同的电控磁行为，包括三种典型的类型，为磁易轴旋转90°、磁易轴旋转0°-90°之间，磁易轴不发生旋转，可以用铁电畴极化发生109°或71°/180°旋转进行解释。通过SEMPA、PFM等微观铁磁畴和铁电畴的直接表征方法进行了结果验证。这种基于空间分辨电控磁行为研究结果加深了对CoFeB/PMN-0.30PT复合多铁异质结构的电控磁微观机制的理解，必将推动基于CoFeB/PMN-0.30PT电控磁机制的高密度低功耗MRAM的发展。