外延Fe4N/PMN-PT异质结构的磁性和输运特性的电场调控

The inverse perovskite Fe4N with high spin polarization, simple lattice structure, easy fabrication, high corrosion resisting, high antioxidation, good thermal stability, high saturation magnetization, high Curie temperature, etc is the potential canditate of spin injection sources, which has the important practical applications in the spintronic devices. Ferroelectric 0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-PT) has good piezoelectric characteristics, which is one of the hot topics in the relaxation ferroelectric materials. In this proposal, we will fabricate the epitaxial PMN-PT/Fe4N, PMN-PT/Fe4N/IrMn, PMN-PT/Fe4N/MgO/Fe4N(Co40Fe40B20)/IrMn heterostructures on single crystal PMN-PT substrates by facing-target magnetron sputtering. The electric field control on the magnetism and electronic transport properties of the PMN-PT/Fe4N based heterostructures will be investigated in details. Based on the experimental and theoretical results, the physical mechanism of magnetoanisotropy, exchange bias, magnetoresistance, Hall effects, etc will be clarified. The results in this project can make the physical phenomena in ferromagnetic/ferroelectric heterostructures clear, which can provide the experimental and theoretical basis for the magneto- and electric-modulated spintronic devices.

反钙钛矿结构Fe4N具有高自旋极化率、结构简单、稳定性好、磁化强度高、居里温度高等优点，是自旋注入源的候选材料，在自旋电子器件上具有重要的应用前景。铁电材料0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-PT)具有优异的压电性能，是弛豫型铁电材料的研究热点。本项目拟在单晶PMN-PT基底上采用对向靶磁控溅射法制备外延PMN-PT/Fe4N、PMN-PT/Fe4N/IrMn、PMN-PT/Fe4N/MgO/Fe4N(Co40Fe40B20)/IrMn等异质结构；深入研究电场对磁性和输运特性的调控；结合实验与理论，揭示电场对磁各向异性、交换偏置、磁电阻、霍耳效应等调控的物理机制。对外延PMN-PT/Fe4N基异质结构的磁性和输运特性的电场调控及物理机制的深入研究，可丰富对铁磁/铁电异质结构中物理现象的了解与认识，为在磁电双调控的自旋电子学器件上的应用提供实验和理论依据。

近年来，人们将“多铁性材料”和“自旋电子学”结合在一起，从而实现磁、电双重调控磁性和自旋输运特性。例如多铁性隧道结，在保证纳米尺度下多铁性材料的绝缘特性和磁电性质的基础上，就可以实现电场调控的自旋相关输运特性，从而可以结合铁电随机存储器和磁随机存储器的各自优点，实现器件小型化和多功能化。. 本项目在实验上，采用对向靶反应溅射法制备了外延Fe4N/PMNPT异质结构，表征并分析了样品的微观结构和磁性，发现电场可以明显地调控样品的磁性；制备了外延NiMn/Fe4N/PMNPT异质结构，详细地研究电场对交换偏置的调控；利用磁力显微镜在不同电场下测量了外延Fe4N/PMNPT异质结构的磁畴结构，为研究电控磁提供了直接证据。作为对比实验，研究了掺杂和弯曲应力对Fe4N薄膜的磁性的影响。在理论上，分析了外延Fe4N/PMNPT异质结构的磁各向异性与界面电荷分布和应力的关系，为揭示电场调控异质结构的物理机制提供理论依据。还研究了其它低维材料对Fe4N表面的电子结构和磁性的影响，以及二维材料的电子结构和磁性，发现新的物理现象，并揭示其微观机制。研究结果为多铁性异质结构在新型自旋电子学器件上的应用提供了实验和理论依据。