電場(chǎng)調(diào)控的氧化物與薄膜磁性研究.pdf

1、磁性材料在社會(huì)生活與國民經(jīng)濟(jì)中具有廣泛而重要的作用，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，越來越多的新型磁性材料被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。納米材料具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、催化以及光活性，在新材料的研發(fā)方面開辟了一個(gè)嶄新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)磁性物質(zhì)的粒度進(jìn)入納米范圍時(shí)，納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具備了常規(guī)多晶或微晶材料所不具備的磁學(xué)特性。伴隨著對(duì)磁性納米材料高漲的研究熱情以及納米材料獨(dú)有的優(yōu)良特性，磁性納米材料廣泛的用途逐

2、漸被人們所發(fā)掘出來。磁性納米材料被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，磁共振成像，磁流體以及生物醫(yī)學(xué)等眾多方面，并取得了顯著的成效。
　　隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)電子元器件的小型化以及多功能化的需求愈加迫切，這使得人們對(duì)多種物理效應(yīng)集于一體的材料的研究表現(xiàn)出更多的關(guān)注和興趣。電極化和磁極化在材料中相互耦合在一起，可以成為設(shè)計(jì)下一代多功能電子信息記錄器件時(shí)的一個(gè)額外自由度，已成為當(dāng)前國際上一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。目前已經(jīng)在單相多鐵性材料以及鐵

3、磁與鐵電新型復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)了鐵磁性和鐵電性相互之間的調(diào)控，也就是說能夠在外加電場(chǎng)下使材料電極化同時(shí)誘導(dǎo)磁極化，或者在外磁場(chǎng)下使材料磁極化的同時(shí)誘導(dǎo)電極化，這種性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)多態(tài)存儲(chǔ)并大幅提高存儲(chǔ)密度。磁電耦合效應(yīng)，包含著豐富的物理內(nèi)容，它們涉及到自旋與晶格或聲子之間的耦合、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系、多重元激發(fā)、電子與電子以及電子與聲子間的關(guān)聯(lián)等。磁電耦合效應(yīng)具有廣泛的研究與應(yīng)用價(jià)值?？蒲泄ぷ髡邔?duì)磁電效應(yīng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)探索，并且在磁電效應(yīng)的

4、應(yīng)用方面取得了許多成績(jī)。把磁電效應(yīng)運(yùn)用到設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器件方面，有望實(shí)現(xiàn)理想中的“磁讀電寫”存取方式。
　　傳統(tǒng)的信息器件通過獨(dú)立運(yùn)用電子的電荷或者自旋屬性制得了性能優(yōu)良的信息器件。為了制備獲得功能更強(qiáng)大的非易失性、高密度、低功耗、數(shù)據(jù)傳送比率可靠、快速的存儲(chǔ)器件，人們希望將電荷與自旋同時(shí)運(yùn)用于一個(gè)器件上，實(shí)現(xiàn)電性能和磁性能的相互調(diào)控。通過電場(chǎng)來調(diào)控磁性是半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的熱點(diǎn)問題，并已被在多種材料中廣范研究。具有電場(chǎng)控制的磁性特性的材

5、料將為實(shí)現(xiàn)器件的微型化、多功能化以及超低能耗提供廣闊的機(jī)遇。如何實(shí)現(xiàn)電性質(zhì)與磁性質(zhì)之間的耦合協(xié)同，以及如何制備得到具有較強(qiáng)磁電耦合作用的材料，并深入理解磁電耦合背后的物理機(jī)制是研究磁電耦合材料的重點(diǎn)與關(guān)鍵。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　?。ㄒ唬?我們用固相燒結(jié)法合成了GdFeO3多晶樣品，并研究了外加電場(chǎng)對(duì)其剩余磁極化強(qiáng)度的調(diào)制作用。我們發(fā)現(xiàn)GdFeO3的磁性在室溫附近具有補(bǔ)償溫度的特性，其剩磁強(qiáng)烈依賴于磁化歷史

6、。當(dāng)外電場(chǎng)施加到GdFeO3樣品上時(shí)，不同的剩磁狀態(tài)將會(huì)表現(xiàn)出不同的調(diào)制作用。我們認(rèn)為，外電場(chǎng)不僅通過焦耳熱效應(yīng)影響了樣品的磁性質(zhì)，同時(shí)還調(diào)制了Fe3+離子的單離子各向異性以及Fe3+離子之間的DM交換作用從而使GdFeO3樣品的弱鐵磁性發(fā)生了改變。
　　（二）:我們制備了Ag/TiO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件并研究了電場(chǎng)作用下器件中電致電阻與磁性的共調(diào)控現(xiàn)象。在Ag/TiO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件中，我們不僅觀察到

7、了set與reset過程所發(fā)生的偶極電致電阻現(xiàn)象，同時(shí)還獲得了較為顯著的電場(chǎng)調(diào)控的磁性質(zhì)。Ag/TiO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件的偶極阻變過程可能來源于在TiO2/Nb∶SrTiO3界面附近注入電子的束縛/解束縛過程所產(chǎn)生的對(duì)于肖特基勢(shì)壘的調(diào)制作用。我們認(rèn)為電場(chǎng)控制的磁性調(diào)制主要來源于伴隨阻變過程而產(chǎn)生的TiO2薄膜中空位的生成與湮滅過程。這種電阻與磁性可以同時(shí)調(diào)制的器件可以被運(yùn)用在信息邏輯存儲(chǔ)器件中。
　?。ㄈ?我們制備

8、了Ag/HfO2/Nb∶SrTiO3/Ag阻變存儲(chǔ)器件并在其中發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)可以同時(shí)引導(dǎo)器件的阻變以及鐵磁性行為。器件中偶極阻變行為來源于HfO2/Nb∶SrTiO3界面處注入電子的捕獲以及退捕獲過程對(duì)肖特基勢(shì)壘的調(diào)控作用。在reset過程中隨著負(fù)向掃場(chǎng)電壓的增大，我們?cè)贏g/HfO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件中觀察到了多值電阻轉(zhuǎn)變的存在。在Ag/HfO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件中發(fā)現(xiàn)的多值阻變效應(yīng)是與reset過程中HfO2/Nb

9、∶SrTiO3界面電子捕獲以及退捕獲的程度有關(guān)。我們同時(shí)還證明了電場(chǎng)可以通過控制HfO2薄膜中氧空位的濃度從而控制Ag/HfO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件的鐵磁性。隨著最大負(fù)向掃場(chǎng)電壓的增大，器件的飽和磁矩減小，這是因?yàn)椴糠值难蹩瘴辉诖诉^程中消失了。多阻態(tài)效應(yīng)以及電場(chǎng)控制的鐵磁性在超高密度存儲(chǔ)以及磁邏輯器件的應(yīng)用中很有潛力。
　?。ㄋ模?我們制備了Ag/Nb2O5/Pt器件并研究了電場(chǎng)作用下器件中電致電阻與磁性的共調(diào)控現(xiàn)象。在

10、Ag/Nb2O5/Pt器件中，我們不僅觀察到了set與reset過程所發(fā)生的偶極電致電阻現(xiàn)象，同時(shí)還獲得了較為顯著的電場(chǎng)調(diào)控的磁性質(zhì)。Ag/Nb2O5/Pt器件的偶極阻變過程可能來源于活躍的Ag離子移動(dòng)，在材料中形成導(dǎo)電絲以及斷裂的過程。而伴隨著阻變產(chǎn)生的電場(chǎng)控制的磁性調(diào)制則主要來源于伴隨阻變過程而產(chǎn)生的TiO2薄膜中空位的生成與湮滅過程。
　　（五）:我們通過用平行板電容器對(duì)HfO2/NbSrTiO3和HfO2/MgO樣品施加了