《3d過渡金屬離子共摻雜BiFeO3的多鐵性和自旋電子學套用研究》是依託東南大學，由徐慶宇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：3d過渡金屬離子共摻雜BiFeO3的多鐵性和自旋電子學套用研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：徐慶宇
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
BiFeO3由於其室溫多鐵性（鐵電居里點~1100 K和反鐵磁奈爾點~640 K）而引起了廣泛的研究興趣，但是由於其室溫的反鐵磁性和磁矩的螺旋結構，磁性非常微弱。通過離子摻雜等手段，利用反鐵磁排列的Fe離子磁矩間的微小傾角獲得的磁性增強仍然非常微弱，因而限制了其室溫多鐵性的套用。本項目將從三個方面開展研究：(1)系統的調製BiFeO3的晶體結構，特別是獲得四方相的晶體結構，從而壓制磁矩的螺旋結構，在獲得近鄰磁矩反鐵磁線性排列的磁結構的基礎上，利用3d過渡金屬離子的共摻雜，引入亞鐵磁性，以獲得增強的室溫鐵磁性；(2)製備高質量的3d過渡金屬離子共摻雜BiFeO3薄膜，研究在其鐵磁性增強基礎上的磁電耦合效應；(3)將高質量的3d過渡金屬離子共摻雜BiFeO3薄膜套用於自旋過濾的隧道結結構直接調控電子的自旋，實現室溫下多鐵性材料在自旋電子學中的套用。
結題摘要
多鐵材料中多種鐵性共存，通過磁與電的相互耦合實現相互調控，具有重要的研究價值和套用前景。單相多鐵材料非常稀少，同時具有高於室溫的鐵電性和反鐵磁性的BiFeO3成為了研究的熱點。然而要實現多鐵性的套用，必須對其進行改性。 我們的研究工作主要針對BiFeO3的改性，特別是鐵電性的改善與鐵磁性的增加，通過離子摻雜以及外延生長技術調控BiFeO3的晶體結構和磁結構，利用各種表征手段，包括XRD，TEM，同步輻射等，對改性的BiFeO3進行深入細緻的研究。並在此基礎上，研究外加電場對磁性的調控。我們也同時探索新的多鐵材料以及其他自旋電子學相關材料。 我們的工作取得了一系列重要的結果，包括： 1. 通過離子摻雜實現了BiFeO3鐵磁性的增強，並獲得了增強的磁電耦合效應。在20%Ba摻雜BiFeO3塊材中我們觀測到了1.5x10-12 s/m的室溫磁電耦合效應； 2. 探索了利用脈衝雷射沉積技術製備BiFeO3薄膜的工藝，獲得了良好的電滯回線，飽和電極化值達到60 uC/cm2； 3. 利用外延生長技術製備了BiFeO3/BiMnO3超晶格結構以及固溶體薄膜，都觀測到自旋玻璃態，利用同步輻射技術確定了Fe與Mn離子間的反鐵磁作用，分析了自旋玻璃態的不同來源； 4. 利用LaAlO3襯底加NdAlO3緩衝層，通過外延技術製備了厚度達到480 nm仍然是單相的類四方相BiFeO3薄膜； 5. 在Si襯底上成功製備了多晶BiFeO3薄膜，實現對NiFe鐵磁層的有效釘扎，偏置場達到70 Oe； 6. 通過La或者Y離子的摻雜，在改善BiFeO3的鐵電性的同時，也改善了其與鐵磁層的交換偏置效應； 7. 通過BiFeO3與鐵磁金屬的交換偏置效應，在單晶BiFeO3薄膜以及多晶BiFeO3薄膜與鐵磁層構成的雙層膜結構，都實現了外加電場對被釘紮鐵磁層磁性的有效調控，而調控的一次性則被認為部分來自於外加電場下界面鐵磁金屬層的氧化； 8. 在結晶水的輔助下，利用固相反應低溫下製備了K0.5FeF3，觀測到了交換偏置效應，其機制則來源於顆粒表面的自旋玻璃態與反鐵磁核之間的交換耦合作用； 9. 利用水熱法製備了BaMnF4，觀測到了其由於磁電耦合效應誘導的交換偏置效應。 我們的工作有助於進一步深入了解多鐵性機制，促進多鐵性自旋電子器件的實現。
