铁磁/PMN-PT复合多铁材料磁性的电场调控研究

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多铁性材料和界面在实现电场调控磁性方面表现出很大的应用潜能,引起了人们的广泛关注。本论文采用磁控溅射法制备了磁性金属Fe和尖晶石铁氧体NiFe2O4(NFO)薄膜,与Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)构成复合多铁异质结,并研究了电场对其磁性的调控。Pt/Fe/PMN-PT异质结中Fe的厚度分别为2、5和11 nm。在正极化电场(+10k V/cm)作用下,Pt/Fe(2 nm)/PMN-PT异质结沿面内[01-1]方向的剩余磁化强度增加了120%,远大于Pt/Fe(11 nm)/PMN-PT异质结在相同电场下的变化(1.8%)。这种增强的剩余磁化强度变化是由界面耦合效应导致的。通过透射电镜和X射线吸收光谱分析,发现在Fe与PMN-PT界面处存在FeOx过渡层。不同Fe厚度的异质结中不同的剩余磁化强度变化源于过渡层。厚度为2 nm的Fe薄膜的主要成分为FeOx,FeOx的直接交换作用相对较弱,磁矩更容易受到应力效应的调控。界面处载流子浓度变化和氧化还原反应导致了不对称的磁化强度变化,实现了在Pt/Fe/PMN-PT异质结中的多态调控。在NFO/PMN-PT和NFO/Pt/PMN-PT异质结中发现了应力和电荷效应共同调控的磁电耦合效应,实现了可区分的多态调控。在(011)取向的异质结中,正负电场下应力效应导致的磁化强度的变化是相同的。但是在NFO/PMN-PT和NFO/Pt/PMN-PT异质结中,正负极化电场下磁化强度的变化存在差异,这种差异来源于界面处氧空位在正负电场下的迁移作用,说明其中还存在着电荷效应。在NFO和PMN-PT之间插入Pt缓冲层后,正负电场下磁化强度的差异明显增强,这是由于电荷在缓冲层中聚集导致了退极化场减弱从而增强了铁电极化效应。
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