阳离子掺杂调控反应溅射MxFe3-xO4外延薄膜的磁性和电输运特性

Spinel ferrites MFe2O4, with remarkable magnetic, multiferroic and transport properties, are wildly used in spintronics devices. In order to meet the application on various devices, we should tune the properties, including the magnetic, multiferroic and the spin-dependent transport properties. We intend to fabricate MxFe3-xO4 epitaxial films by using reactive cosputtering. Nonmagnetic cations doping can lead MFe2O4 films change from ferrimagnetic to antiferromagnetic. The magnetic cations doping can lead MFe2O4 films change from half-metal to ferromagnetic insulator. The density of oxygen vacancies can tune the resistivity from insulator to semiconductor. The non-equilibrium distribution of the cations can lead spin canting, to further investigate the influence of spin canting on the magnetic and transport properties of MxFe3-xO4 films. Investigate the influence factor and variation of the magnetic and electrical properties in the MxFe3-xO4 films. Reveal the variation of the structure and properties, and the physical mechamisms of ferrite. This research results will provide the basic data for the spinel ferrites films and the application in spin-injection, spin-filter and multiferroic.

尖晶石铁氧体MFe2O4具有丰富的磁性、多铁性和电输运特性，在自旋电子学器件上有广泛的应用前景。为了满足在不同器件上的实际应用，需要通过金属阳离子掺杂对MFe2O4薄膜的磁性、多铁性和自旋相关电输运特性进行调控。本课题拟用反应共溅射方法制备MxFe3-xO4外延薄膜，通过非磁性阳离子的掺杂实现亚铁磁性到反铁磁性的转变；磁性阳离子的掺杂实现半金属到铁磁绝缘体的转变；通过调节氧空位的密度实现铁氧体电阻率从绝缘体到半导体的变化。非磁性阳离子在A/B位上的非平衡占位使得自旋排列倾斜，从而研究自旋倾斜对MxFe3-xO4薄膜的磁性和电输运特性的影响。系统分析MxFe3-xO4薄膜中磁性和电输运性质的影响因素和变化规律，揭示铁氧体MxFe3-xO4薄膜中磁性和电输运特性的物理机制。研究结果将为尖晶石铁氧体薄膜材料在自旋注入、自旋过滤和多铁性中的应用提供依据。

尖晶石铁氧体MFe2O4(M为金属阳离子)具有丰富的电学和磁学性质以及较高的居里温度，是自旋电子学材料研究的热点。对于不同的金属阳离子，MFe2O4表现出丰富的物性。亚铁磁绝缘体材料Ni(Co)Fe2O4薄膜具有自旋过滤功能和电致电阻效应，并且与铁电材料的结合可构成人工多铁材料，其磁电耦合特性和电控磁性质成为研究的热点。.我们利用反应溅射方法制备尖晶石铁氧体及其异质结构，对其结构、磁性和电输运特性进行了系统研究。样品制备方面，我们实现了V、Zn、Co、Lu与Gd等磁性与非磁性元素掺杂Fe3O4外延薄膜及与BiFeO3(BFO)、PMN-PT等多铁材料的复合结构。物性研究方面，我们系统研究了离子掺杂、应力、氧空位及电场调控对尖晶石铁氧体MxFe3-xO4磁性与输运特性的影响。主要研究结果有：1) 对外延ZnFe2O4薄膜的自旋相关电输运特性的研究发现，阳离子的无序占位引起自旋倾斜，使得薄膜材料表现出不同于块体的室温铁磁性，大的磁电阻现象及半金属特性；V掺杂尖晶石Fe3O4外延薄膜的饱和磁化强度随着V含量的增加而降低，由于薄膜中存在少量+2价V，增强的薄膜的磁晶各向异性；2) 稀土元素Lu、Gd掺杂的研究中发现，LuxFe3–xO4和GdxFe3–xO4薄膜的饱和磁化强度均减小，在LuxFe3–xO4薄膜中，由于大半径Lu3+离子的掺入，造成了自旋倾斜，使得反铁磁耦合作用增强。随Lu含量的增加，LuxFe3–xO4薄膜的各向异性磁电阻(AMR)的四重对称性增强。3)在Fe3-xVxO4(FVO)/BFO多铁异质结中，发现明显的交换偏置现象，且交换偏置场随样品中氧空位密度的增加而减小。结合第一性原理计算，我们认为氧空位减小了FVO/BFO界面的Fe3+(A)–O2−–Fe3+(BFO)超交换相互作用的健角，从而减弱界面耦合作用，降低交换偏置场。4)在CoFe2O4/PMN-PT异质结中，我们发现在铁电场和应力的共同作用下，CoFe2O4薄膜的磁性表现出四重态的磁化状态。.我们的结果提供了制备MFe2O4薄膜的简单方法，揭示了尖晶石铁氧体物性调控及磁电耦合的规律及机制，为尖晶石铁氧体薄膜在自旋电子学和多铁异质结构的研究与应用中积累数据。