钙钛矿氧化物薄膜中的交换偏置现象与离子液体调控研究

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近些年来,随着薄膜生长和制备技术的发展,人们在两种材料复合的异质结中可以观察到一些新奇的物理性质,如交换偏置(EB)、磁电耦合、界面二维电子气等,这些现象对于器件性能的提高具有重要的意义。其中,具有交换偏置效应的异质结在自旋阀、磁记录读头、磁性随机存储器等自旋电子器件中已经有广泛的应用。与传统交换偏置现象相比,利用具有自发交换偏置效应的异质结可以进一步降低器件的功耗。离子液体门电压方法作为一种调控物质本征属性的手段,可以实现钙钛矿氧化物薄膜磁电性质的可逆转变。为此,我们选用反铁磁性的Sr Fe O3-x(SFO)和铁磁性的Sr Co O3-x(SCO)构成的双层膜,以及反铁磁性的La Fe O3(LFO)和铁磁性的La0.7Sr0.3Mn O3(LSMO)构成的异质结作为研究对象,通过对其输运及磁性质进行研究,在这两类异质结体系中均观察到了新奇的交换偏置现象。此外,我们还用离子液体调控的方法研究了SCO单层膜的磁性和电输运性质。本文具体研究内容如下:(1)采用脉冲激光沉积仪(PLD)制备了SFO/SCO双层膜,对其磁性和电输运性质进行了研究。发现其在(001)取向的Sr Ti O3(STO)基片上出现一种新奇的正向自发交换偏置现象。通过零场冷和+6 T场冷磁滞回线(M-H)的测试证明了异质结界面的铁磁交换耦合作用。当在SFO/SCO双层膜中插入STO插层时,随着其厚度增大,交换偏置场被削弱。此时界面之间的铁磁交换耦合消失,长程偶极相互作用对交换偏置产生影响。(2)为了进一步研究异质结界面的磁性与交换偏置现象,我们制备了LFO/LSMO复合的双层膜,发现其在(001)的STO基片上场冷测试时没有出现交换偏置现象。而双层膜在(001)取向的La Al O3(LAO)基片上场冷测试时出现了明显的交换偏置。通过测量磁化强度与温度依赖关系发现异质结的居里温度(TC)低于室温,而LFO的奈尔温度(TN)高于室温。当以200 Oe/s在室温下施加±3 T的瞬态磁场(0 T→±3 T→0 T)时,测得的M-H回线也会表现出一定的交换偏置现象。这一结果说明LAO基片上生长的异质结无论在场冷(FC)还是室温瞬态磁场作用下,都会使反铁磁(AFM)磁矩与铁磁(FM)磁矩之间产生磁耦合现象,进而引起交换偏置效应的发生。(3)实验中尝试使用离子液体作为电介质,通过在SCO薄膜顶电极和底电极之间施加正、负调控电压,可以对其内部的氧离子(O2-)进行可逆地注入和抽取,有力地调控了薄膜的磁性和输运性质,为在纳米尺度下对材料功能特性的可逆调控提供了一种有效途径。
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