强磁场下外延Fe3O4薄膜的磁性、电输运特性和Verwey相变研究

Fe3O4 with the good characteristics of high spin polarization, simple lattice structure, high thermal stability, high Curie temperature, etc is the potential canditate of spin injection source, which has the practical applications in the spintronic devices. In this project, we will fabricate the epitaxial Fe3O4 films with different lattice orientations on single crystal substrates by facing-target reactive magnetron sputtering. We will measure the structure, magnetic, electric transport and ferroelectric properties at different conditions, especially at high magnetic field (> 20 T). The changes of lattice structure, charge ordering, magnetic, ferroelectric, electric transport properties and spin dynamics, etc will be analyzed, and its physical mechanism should be clarified. Based on the experimental and theoretical results, we will analyze the effects of electric field on the magnetic and electric transport properties of epitaxial Fe3O4 films, and clarify the mechanisms of domain wall change, anomalous Hall effects, etc. The detailed investigations on the structure, physical properties and their mechanisms in this project can make the structure and physical properties of Fe3O4 at Verwey transition clearer, which can provide the experimental and theoretical basis for the spintronic devices.

Fe3O4具有高自旋极化率、结构简单、热稳定性好、居里温度高等优点，是自旋注入源的候选材料，在自旋电子学器件上具有广泛应用前景。本项目旨在采用对向靶反应溅射法在单晶基底上制备不同取向的外延Fe3O4薄膜；在不同条件下测量Fe3O4薄膜的结构、磁性、电输运特性和铁电性，特别是强磁场情况下(>20 T)；分析在Verwey相变过程中，Fe3O4薄膜的晶体结构、电荷有序、磁性、铁电性、电输运特性、自旋动力学等的变化规律，揭示其物理机制。结合实验和理论，研究电场对Fe3O4薄膜的磁性和电输运特性的影响，揭示电场对磁畴结构、反常霍耳效应等影响的内在机制。对Fe3O4薄膜的结构、物性及其物理机制的深入研究，可进一步丰富对Fe3O4中Verwey相变处结构和物性变化的认识，为其在自旋电子学器件上的应用提供实验和理论依据。

尽管人们已经对Fe3O4的Verwey转变进行了长时间的研究，但是仍存在一些关键问题需要解决：(1) Verwey转变温度以下，缺乏电荷有序的直接证据，需要电子衍射；(2) Verwey转变如何引起磁性、各向异性磁电阻、铁电性、磁结构等发生变化，尚不清楚。这些问题需要进一步深入研究，从而使人们对Verwey转变有更加清晰的认识。.本项目在实验上，已经采用对向靶反应溅射法制备了外延Fe3O4薄膜，对结构、磁性和电输运特性进行了详细的测量和分析，尤其是Verwey转变处的结构和物性转变。在理论上，研究了低温单斜相Fe3O4的电荷有序、铁电性等。主要结果：1) 制备了高质量的Fe3O4薄膜，研究了其结构、磁性和电输运特性。不同取向的外延Fe3O4薄膜表面平整，为其在自旋电子学器件上的应用奠定实验基础；2) 通过选区电子衍射，在Verwey转变温度以下直接观察到了由电荷有序引起的超晶格衍射斑点，证明了所制备的样品质量很高，为认识和研究Verwey相变奠定了基础；3) 发现外延Fe3O4薄膜在Verwey转变附近出现磁电阻的极大值。对于(100)取向的外延Fe3O4薄膜，当磁场垂直于电流和薄膜表面的时候，60 K下的磁电阻达到最大值，为-25%；4) 通过分析Verwey转变以下的各向异性磁电阻，发现Verwey转变包括两个步骤，一个是快速的电荷有序过程，另一个是接下来的三极化子的形成过程。这样的两步转变过程也被不同温度下测量的拉曼光谱所证实；5) 理论研究结果表明Verwey转变温度以下，Fe3O4的电子结构和电荷有序可以被应力影响，为认识Verwey转变提供理论依据；6) FeB42–FeB43对的离子位移和电荷分离均受应力的影响，进而影响单斜相Fe3O4的自发铁电极化。当应力从-6%变化到6%时，沿z轴的铁电极化增加45.3%。在实验上，观察到了铁电特性；7) 在Verwey转变附近，发现Fe3O4/Si异质结构中存在负微分电阻和大磁电阻现象，揭示其微观机制；8) 此外，还研究了Fe3O4/有机分子、二维材料的界面电子结构，发现新的物理现象，并揭示其微观机制。本项目的研究结果为人们更加清楚地认识Verwey相变提供了实验和理论依据。