溅射外延全氧化物Fe3O4/BiFeO3异质结构的界面磁耦合特性研究

BiFeO3 is the only room-temperature multiferroic material without lead, and displays simultaneously two types of order of ferroelectricity and anti-ferromagnetism. Therefore, it is the first choice for the investigation of room-temperature multiferroics. Fe3O4 is a stable half-metallic oxide with high spin polarization, and is the ideal material for spin injection. We intend to grow epitaxial BiFeO3 layers and Fe3O4/BiFeO3 heterostructures on insulating single crystal substrates, and to reveal the origins of the anisotropic magnetoelectric properties and the size effect on magnetic properties. Besides, the interfacial coupling between half-metallic Fe3O4 and magnetoelectric multiferroic BiFeO3 layers along different growth directions will also be investigated, in order to elucidate the interface matching rules for the integration of magnetic and multiferroic materials. The target of current research mainly focuses on the possible route of designing interfacial coupling properties for the fully epitaxial half-metallic/ multiferroic oxide heterostructures. We hope that the anticipated abundant results will enrich our understanding on the ferro(ferri)magnetic-multiferroic heterostructures, and stimulate the researchers to further explore the novel method of manipulating the magnetoelectric properties of the heterostructures.

BiFeO3是人们目前发现的唯一具有反铁磁性和铁电性的无铅绿色室温多铁材料，是研究室温多铁性能的首选材料。Fe3O4是相结构稳定且具有高自旋极化率的半金属材料，是研究自旋注入的理想材料。本申请课题拟在单晶基底上溅射外延系列BiFeO3薄膜以及Fe3O4/BiFeO3异质外延结构，解明外延BiFeO3薄膜的各向异性磁电性质以及尺寸效应的物理机制；研究半金属性Fe3O4薄膜/磁电多铁性BiFeO3薄膜异质外延结构在不同生长方向上界面耦合特性与规律，探索不同取向的Fe3O4薄膜与磁电多铁性BiFeO3薄膜的界面匹配原则，实现全外延半金属性氧化物薄膜/磁电多铁性氧化物薄膜异质结构的界面耦合特性的按需设计。对简单的双层复合结构的界面耦合特性及其物理机制的深入研究，可进一步丰富我们对半金属性氧化物/磁电多铁性氧化物异质结构的了解与认识，为探求异质结构中磁电性能调控的新机制积累实验数据。

BiFeO3是具有反铁磁性和铁电性的无铅绿色室温多铁材料，是研究室温多铁性能的首选材料。Fe3O4是相结构稳定且具有高自旋极化率的半金属材料，是研究自旋注入的理想材料。我们利用溅射方法分别在SrTiO3和LaAlO3基片上生长了全氧化物Fe3O4/R-BiFeO3与Fe3O4/T-BiFeO3异质结构。由于T相BiFeO3结构畸变后使得界面耦合效应增强，Fe3O4/T-BiFeO3异质结构相比R相结构具有更大的交换偏置场。进一步研究发现，在尖晶石铁氧体/BiFeO3全氧化物多铁异质结中，界面氧空位密度的增加，会降低交换偏置效应。我们采用磁性对氧空位敏感的Mn:ZnO (5 at. % Mn)与BiFeO3构成异质结，通过外加电场改变BiFeO3的铁电极化状态，实现了室温下较为明显的电场调控磁效应。在不同极化状态下，异质结呈现出高电阻态(HRS)和低电阻态(LRS)。样品在HRS下饱和磁化强度和矫顽力均增大，而在LRS下磁性又恢复到接近初始的状态。氧空位在外加电场和极化电荷的作用下发生迁移和重新分布，进而改变了界面的势垒高度并导致Mn:ZnO的磁性变化。.YMnO3作为一种典型的多铁性材料，具有六角和正交晶系两种结构。我们在Fe3O4/h-YMnO3多铁异质结中观察到了依赖于铁磁层厚度的反常交换偏置效应。这种现象是由h-YMnO3反铁磁畴壁上的未补偿磁矩和Fe3O4依赖于厚度的反相畴间的相互作用共同造成的。在Fe/h-YMnO3复合薄膜中观察到了交换偏置效应调控的各向异性磁电阻。通过基底应力效应，我们制备了o-YMnO3/La0.6Sr0.4MnO3/SrTiO3多铁异质结，发现了晶体取向调制的交换偏置效应。由于o-YMnO3与La0.6Sr0.4MnO3在界面处Mn3+-O2--Mn4+键角不同，影响了界面处双交换耦合的强度。在La0.6Sr0.4MnO3/o-YMnO3/SrTiO3多铁异质结中，La0.6Sr0.4MnO3层受到o-YMnO3层张应力的影响，致使La0.6Sr0.4MnO3层中Mn离子的3d轨道重组，引入了反铁磁相，进而增强了异质结的交换偏置效应。.通过对BiFeO3基和YMnO3基多铁复合结构的制备和物性的系统研究，我们对多铁性氧化物异质结构的界面耦合效应、电场调控磁电特性的物理机制有了丰富的认识，为新型多功能电子器件的设计与应用积累实验数据。