電場調控的氧化物與薄膜磁性研究.pdf

1、磁性材料在社會生活與國民經(jīng)濟中具有廣泛而重要的作用，隨著科學技術的日益發(fā)展，越來越多的新型磁性材料被應用于各個領域中。納米材料具有優(yōu)異的光學、力學、電學、磁學、催化以及光活性，在新材料的研發(fā)方面開辟了一個嶄新的研究和應用領域。當磁性物質的粒度進入納米范圍時，納米微粒的小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應等使得它具備了常規(guī)多晶或微晶材料所不具備的磁學特性。伴隨著對磁性納米材料高漲的研究熱情以及納米材料獨有的優(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用于數(shù)據(jù)儲存，磁共振成像，磁流體以及生物醫(yī)學等眾多方面，并取得了顯著的成效。
　　隨著現(xiàn)代信息技術的迅猛發(fā)展，人們對電子元器件的小型化以及多功能化的需求愈加迫切，這使得人們對多種物理效應集于一體的材料的研究表現(xiàn)出更多的關注和興趣。電極化和磁極化在材料中相互耦合在一起，可以成為設計下一代多功能電子信息記錄器件時的一個額外自由度，已成為當前國際上一個新的研究熱點。目前已經(jīng)在單相多鐵性材料以及鐵

3、磁與鐵電新型復合材料中實現(xiàn)了鐵磁性和鐵電性相互之間的調控，也就是說能夠在外加電場下使材料電極化同時誘導磁極化，或者在外磁場下使材料磁極化的同時誘導電極化，這種性質可實現(xiàn)多態(tài)存儲并大幅提高存儲密度。磁電耦合效應，包含著豐富的物理內容，它們涉及到自旋與晶格或聲子之間的耦合、強關聯(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聯(lián)等。磁電耦合效應具有廣泛的研究與應用價值。科研工作者對磁電效應進行了大量的理論分析和實驗探索，并且在磁電效應的

4、應用方面取得了許多成績。把磁電效應運用到設計存儲器件方面，有望實現(xiàn)理想中的“磁讀電寫”存取方式。
　　傳統(tǒng)的信息器件通過獨立運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、快速的存儲器件，人們希望將電荷與自旋同時運用于一個器件上，實現(xiàn)電性能和磁性能的相互調控。通過電場來調控磁性是半導體自旋電子學的熱點問題，并已被在多種材料中廣范研究。具有電場控制的磁性特性的材

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

6、。當外電場施加到GdFeO3樣品上時，不同的剩磁狀態(tài)將會表現(xiàn)出不同的調制作用。我們認為，外電場不僅通過焦耳熱效應影響了樣品的磁性質，同時還調制了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。
　?。ǘ?我們制備了Ag/TiO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件并研究了電場作用下器件中電致電阻與磁性的共調控現(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，同時還獲得了較為顯著的電場調控的磁性質。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)生的對于肖特基勢壘的調制作用。我們認為電場控制的磁性調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調制的器件可以被運用在信息邏輯存儲器件中。
　?。ㄈ?我們制備

8、了Ag/HfO2/Nb∶SrTiO3/Ag阻變存儲器件并在其中發(fā)現(xiàn)電場可以同時引導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肖特基勢壘的調控作用。在reset過程中隨著負向掃場電壓的增大，我們在Ag/HfO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件中觀察到了多值電阻轉變的存在。在Ag/HfO2/Nb∶SrTiO3/Ag器件中發(fā)現(xiàn)的多值阻變效應是與reset過程中HfO2/Nb

9、∶SrTiO3界面電子捕獲以及退捕獲的程度有關。我們同時還證明了電場可以通過控制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。隨著最大負向掃場電壓的增大，器件的飽和磁矩減小，這是因為部分的氧空位在此過程中消失了。多阻態(tài)效應以及電場控制的鐵磁性在超高密度存儲以及磁邏輯器件的應用中很有潛力。
　?。ㄋ模?我們制備了Ag/Nb2O5/Pt器件并研究了電場作用下器件中電致電阻與磁性的共調控現(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，同時還獲得了較為顯著的電場調控的磁性質。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，在材料中形成導電絲以及斷裂的過程。而伴隨著阻變產(chǎn)生的電場控制的磁性調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。
　?。ㄎ澹?我們通過用平行板電容器對HfO2/NbSrTiO3和HfO2/MgO樣品施加了