多铁性LSCMO/PMN-PT磁电复合薄膜的制备、表征及原型器件探索

Multiferroic magnetoelectric (ME) thin films materials have become hot topic due to their significant potential applications in transducers, sensors, and new-type memories. The project focused on the preparation, microstructures and properties of the composite thin films made up of ferroelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT) and ferromagnetic La0.7Sr0.3-xCaxMnO3(LSCMO). Firstly, The PMN-PT film with (100), (111) and (110) textures are prepared by sol-gel spin-coating method. Secondly, LSCMO thin films with different thicknesses are fabricated on the different textured PMN-PT layers using the sol-gel technique. The excellent ME composite thin films will be obtained through the process of optimality, and the ME effect of composites will be explored. Influence of textures and film thicknesses on ME coupling properties of composite thin films will be researched. The ME response mechanism of the LSCMO/PMN-PT composite thin films will be investigated. The ME memory devices will be designed using the excellent ME coupling properties in LSCMO/PMN-PT composite system. The electric-field controlled switching of the magnetic coercive field, magnetic domain, and resistance (i.e., converse ME effect) will be investigated, the possibility and problem of application in new-type ME memory devices will be also discussed.

多铁性磁电薄膜材料在传感器、换能器、新型存储器中具有广泛的应用前景，现已成为一个热点研究方向。本项目主要就Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)和La0.7Sr0.3-xCaxMnO3(LSCMO)组成的层状结构磁电复合薄膜的制备、结构和性能展开研究。首先采用溶胶-凝胶法制备(100)、(111)和(110)三种不同织构PMN-PT铁电薄膜。随后，在不同织构PMN-PT薄膜上生长不同厚度的LSCMO铁磁薄膜。优化工艺获得优质磁电复合薄膜，探索LSCMO/PMN-PT复合结构中的磁电效应。研究铁电层织构性和铁磁层厚度对复合薄膜磁电耦合性能的影响；探讨LSCMO/PMN-PT复合薄膜的磁电响应机制；在获得综合磁电性能优异复合薄膜的基础上，设计磁电存储微型器件，研究复合薄膜在电场调控下矫顽场、磁畴、电阻发生改变的逆磁电效应，探讨此新型磁电存储器件应用的可能性及存在的问题。

多铁性磁电薄膜材料在新型磁电存储器件、自旋电子器件等高技术领域具有巨大的应用前景, 现已成为一个热点研究方向。. 本项目主要就多铁性复合薄膜的制备、结构和磁电耦合效应展开研究。采用溶胶–凝胶法、激光分子束外延技术和磁控溅射法分别制备了PMN–PT、LSCMO薄膜，以及2-2型叠层结构LSCMO/PMN–PT、NiFe/PMN–PT和PZT/Pt/Ni磁电复合薄膜。. 提出了一种新的工艺路线，通过控制热分解温度实现了PMN–PT薄膜织构的调控。在Pt/Si基片上生长了(100)和(111)两种织构PMN–PT薄膜，(111)织构薄膜具有更好的铁电性和介电性，而(100)织构薄膜具有更好的压电性。. 采用溶胶–凝胶法合成了单相的LSCMO铁磁薄膜。研究了元素掺杂对薄膜的局里温度和磁熵变的影响，薄膜的室温磁熵变，达到16.04 mJ/(cm3·K)，有望成为新一代磁制冷材料。LSCMO/PMN–PT复合薄膜具有明显的铁电性，磁性表现为典型的形状各向异性。. 采用激光分子束外延技术（L-MBE）在PMN-PT单晶基片上生长了LSCMO薄膜，实现了三种不同晶向的LSCMO薄膜的外延生长。薄膜表面均一、致密，薄膜表现出较小的粗糙度，且有step出现，薄膜为layer by layer生长方式。随着温度的升高，薄膜呈现铁磁-顺磁（FM-PM）转变，且相变区域较宽，LS0.2C0.1MO薄膜的居里温度为265 K。随着温度的升高，薄膜的磁电阻先增加后减小，在居里温度附近表现出了最大磁电阻变化率。薄膜的磁电阻达到了39%，表现出了强磁电阻效应。. 利用直流磁控溅射法和溶胶–凝胶法合成了NiFe/PMN–PT双层复合薄膜，利用交流电压调控磁光克尔响应的方法测试了复合薄膜的磁化强度的变化。结果表明，应力诱导机制在复合薄膜的逆磁电耦合中起主要作用。. 结合溶胶–凝胶法和直流磁控溅射法制备了PZT/Pt/Ni复合体系，复合结构表现出优异的磁电耦合性能。复合结构在室温下的最大磁电耦合系数达到了772mV/cm·Oe，且发生在较低的直流偏置磁场Hdc（86Oe）处。结果表明该复合结构中的磁电效应来自于以应力（变）为中介的“磁-力-电”耦合。. 上述科学问题的研究对理解磁电耦合机制、促进薄膜磁电存储和传感器件的实际应用具有重要的科学意义。