基于变磁形状记忆合金的多铁性异质结磁电耦合效应及其机理研究

Magnetoelectric devives based on magnetoelectric (ME) coupling effect will be widely used in the IT field due to their many advantages, such as miniaturization, multifunction and low energy comsuption etc. However, materials/devices with strong ME coupling are rare at room temperature. In this project, we propose to use metamagnetic shape memory alloy (MSMA) NiMnIn with unique mechanical, electric and magnetic properties to fabricate NiMnIn/PMN-PT heterostructure.The strong ME coupling effect with simultaneously electric-field-tunalbe magnetic exchange interaction and resistivity will be realized by controlling the properties of low-dimensional MSMA. After systematically studing the relationship between ME coupling effect and thin film's thickness, microstructure, electric and magnetic properties etc, the key factors to affect the ME coupling strength will be revealed; the microscopic mechanism of the ME coupling effect in the NiMnIn/PMN-PT heterostructure will be clarified. The results will pave the way for the development and application of new generation room-temperature ME devices,such as high-desity memory, micro-sensor,high-performance transducer etc.

基于磁电耦合效应的磁电器件具有小型化、多功能化、低能耗等优点，在未来信息技术领域将得到广泛应用。本项目是针对目前室温下具有磁电耦合效应的(复合)材料种类少、耦合弱等问题的基础上提出的，拟采用具有独特力学、电学和磁学性能的变磁形状记忆合金NiMnIn与性能优异的压电材料PMN-PT制备新型的NiMnIn/PMN-PT异质结。通过解决低维度变磁形状记忆合金性能的可调节性问题，在异质结中实现室温下电场同时对磁交换作用和电阻率调控的强磁电耦合效应。通过系统研究磁电耦合效应与薄膜的厚度、微观结构、电磁学性能之间的关联问题，揭示影响磁电耦合强度的关键因素；阐明此类异质结中磁电耦合效应的微观机理。研究结果对于研发新一代室温磁电器件，如高密度信息存储器、微型传感器、高性能换能器等，具有重要的指导意义。

本项目针对器件低功耗和柔性化发展的需求，以变磁形状记忆合金、铁电材料、磁性非晶材料组成的复合多铁性材料为研究对象。研究发现不同的外加磁场强度可以把变磁形状记忆合金中不同比例的高温奥氏体相捕获的低温下。由于该体系高温奥氏体相和低温马氏体相具体不同饱和磁化强度和电阻率，因此可以实现外加磁场对材料电磁性能进行连续的调控；利用压电衬底的逆压电效应，可以对其上面生长的磁电薄膜施加应力/应变，从而可以调控材料的磁电特性；利用柔性铁电PVDF自身各向异性热膨胀的热学特性以及逆磁致伸缩效应，成功设计出一类具有正温度系数磁各向异性的磁性复合薄膜材料。研究结果为发展柔性低功耗自旋阀器件奠定基础。