多鐵異質結中的磁電耦合和電阻轉換效應.pdf

1、隨著自旋電子學/電子學過去數(shù)十年的迅猛發(fā)展，人們對器件的小型化、器件的讀寫速度以及其讀寫能耗都有了更高的要求。然而，現(xiàn)有的技術與材料已經到達其尺寸和性能的極限，并開始制約電子器件科學的發(fā)展。因此探索能夠滿足生產生活更高要求的新材料進而變革電子器件領域變得尤為迫切和重要。具有多功能的、可進行多參量調控的多鐵材料受到了科學家們的廣泛關注。多鐵材料以其鐵電極化和磁極化共存、磁電間可相互耦合調控而有望在多功能電子器件革新上發(fā)揮巨大的作用。然而，

2、目前室溫單相的多鐵性材料匱乏且磁電耦合效應弱，可以進行人工設計的復合多鐵性材料—多鐵異質結由于其在材料選擇和磁電耦合效應方面都有著巨大的優(yōu)勢而引起了廣泛地關注。目前盡管在多鐵異質結磁電耦合方面已經取得了一定的研究進展，但其中仍然存在大量的、與實際生產應用密切相關的問題，比如如何在室溫甚至高溫條件下實現(xiàn)強烈的磁電耦合效應、異質結中的磁性層對異質結整體在磁場下的介電鐵電性的影響有多大，如何成功地將疇壁工程和宏觀電輸運性質緊密聯(lián)系在一起實現(xiàn)更

3、多的電阻狀態(tài)等等。
　　針對上述問題，本論文主要研究了磁性電極材料對多鐵異質結中的磁電耦合效應和介電/磁介電效應的影響;探討了多鐵異質結中界面效應和鐵電疇壁同時參與的三阻態(tài)阻變效應的起源，為多重態(tài)存儲器件的原型設計提供了一定的思路。
　　整篇論文分為六個章節(jié)，每一章的主要內容可概括如下:
　　在第一章中，綜述了單相多鐵材料的多鐵性起源以及復合多鐵材料的優(yōu)勢，重點介紹了磁介電效應和多鐵異質結中磁電耦合效應以及相關研究進展

4、，最后簡單介紹了多鐵性異質結相關的電阻轉換效應并對其中的機理進行了闡述。
　　在第二章中，為了研究磁性電極電阻對外延的BiFeO3/La0.625Ca0.375MnO3(BFO/LCMO)異質結鐵電性的影響，我們利用不同的電極配置系統(tǒng)地測量了BFO/LCMO異質結的鐵電性，發(fā)現(xiàn)表觀矯頑電壓隨著LCMO電阻線性增加。通過建立分壓模型，去除了來自于LCMO層的分壓的非本征效應，進而得到了異質結本身的矯頑電壓Vac0，同時我們發(fā)現(xiàn)當溫度

5、高于150 K時，Vac0同樣的對磁場有明顯的響應，顯示出本征磁電耦合效應。實驗結果證明，對于鐵電/鐵磁復合薄膜來說，當研究異質結本身的鐵電性時，鐵磁層的分壓作用不可忽視;同時提供了一種有效的、定量的方式來分析LCMO層在多層異質結薄膜上的分壓貢獻，這對研究鐵電/鐵磁異質結的本征磁電耦合效應以及相關器件設計很有幫助。
　　在第三章中，為了研究磁性電極電阻對外延BFO/LCMO異質結介電性的影響，我們利用不同的電極配置，系統(tǒng)地測量了

6、Au/BFO/LCMO異質結的介電性能，發(fā)現(xiàn)隨著LCMO底電極電阻的增加，Au/BFO/LCMO多鐵異質結電容的實部有明顯的降低，且體系弛豫行為所對應的頻率均向高頻移動。通過分析異質結介電損耗隨溫度的依賴關系，發(fā)現(xiàn)參與介電測量的底電極LCMO所占比例越多，異質結的磁介電效應也越大，但損耗tanδ的值也越大。通過研究不同電極配置下異質結電容虛部隨頻率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對于任意的電極配置，異質結的介電弛豫行為主要可等效地反映出Mn3+和Mn4

7、+之間的電子躍遷或轉移過程。上述發(fā)現(xiàn)對研究鐵電/鐵磁異質結的磁介電效應是很有幫助的，同時可以對相關器件設計有一定的指導作用
　　在第四章中，我們通過電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)判斷出所生長的BFO薄膜中不存在Bi元素的缺失，這對分析半導體性質的BiFeO3的半導體類型以及在Au/BiFeO3/La0.6Sr0.4MnO3(Au/BFO/LSMO)多鐵異質結中界面肖特基勢壘的方向起到關鍵性作用;利用掃描透射電子顯微鏡(STE

8、M)對異質結上下界面的晶體結構進行了細致的表征，在BFO/LSMO界面處發(fā)現(xiàn)了存在明顯離子互擴散區(qū)域的中間過渡層，在Au/BFO界面處觀察到了“dead layer”。上述發(fā)現(xiàn)為后續(xù)分析異質結阻變行為起源奠定了堅實的實驗基礎。
　　在第五章中，我們研究了Au/BFO/LSMO多鐵異質結中電磁調控的可重復、區(qū)分度較高的三阻態(tài)行為。通過改變鐵電極化的方向，異質結的電阻可以在三種穩(wěn)定非易失的電阻狀態(tài)之間切換且不需要電形成過程。這種非易失

9、的電阻轉換行為可以被歸結以下三個方面的共同作用:Au/BFO界面處的肖特基勢壘高度的變化、BFO/LSMO的界面電阻大小的變化以及BFO鐵電疇壁密度相關的電阻改變。使用異質結矯頑電壓附近的脈沖電壓極化樣品后所觀察到的具有最高電導率的第三態(tài)在室溫下表現(xiàn)出明顯負磁阻效應，通過宏觀電測量證明了BFO鐵電疇壁在室溫下的負磁阻效應。以上的發(fā)現(xiàn)對我們深入理解多鐵異質結中的界面效應以及鐵電疇壁的鐵磁性對非易失電阻轉換效應的影響，使得將自旋電子學引入阻