多铁性异质结界面电荷耦合效应研究
发布时间：2020-10-23 14:48
多铁性材料因其巨大的应用潜力受到国内外学者的广泛关注,信息化的发展又使得多铁性异质结成为了重点研究对象。对多铁性异质结进行研究的目的是利用磁电耦合效应实现电场对异质结磁性能的调控。电荷耦合效应因其在低能耗、高密度、多功能微型存储器件中的巨大应用潜力而受到广泛关注。由于界面互相作用以及电荷耦合效应影响因素的复杂性,界面电荷耦合调控多铁性异质结磁性能的物理机制尚不明确。本论文对电荷耦合效应调控多铁性异质结磁性能的耦合机制进行了系统研究,以期为磁电材料的应用提供理论指导。首先,尽管研究者们对Fe_3O_4的Verwey相转变进行了持续半个多世纪的广泛研究,但Verwey相转变的内在机制仍然存在很大的争论,需要继续深入研究。本文研究了50K-150K范围内由电场反转调控Fe_3O_4/SrTiO_3多铁性异质结磁性能,发现电荷耦合效应不仅可以调控Fe_3O_4磁性能并且引起了Fe_3O_4的Verwey相转变温度偏移了13K。本文分别提出了两个模型来解释电荷耦合效应对Fe_3O_4磁性能以及Verwey相转变温度的调控,证明了相变机制的存在,初步揭开了Fe_3O_4Verwey相转变之谜。本文研究了不同温度下电场反转调制Fe/SrTiO_3多铁性异质结磁性能,发现当位于界面处的SrTiO_3层处于电子聚集态时Fe层的磁性能较高,而SrTiO_3层处于电子耗散态时Fe层的磁性能较低,本文提出了一个电场翻转造成的Fe层自旋态电子密度变化的定性模型来解释这种现象。同时,本文还发现随着温度的升高,由电场反转而获得的磁电转换系数与磁化强度的变化逐渐降低,当温度升至室温时,电场反转对异质结磁性能的调控效果几乎为零,此现象可归因于温度升高造成的SrTiO_3介电层介电常数降低以及自旋电子运动的无序化。最后,本文研究了室温下电场调控Fe_3O_4/BaTiO_3多铁性异质结磁性能,获得了0.72 Oe?cm/kV的磁电转换系数,实验证明了电荷耦合效应中键长机制的存在。Fe_3O_4/BaTiO_3多铁性异质结饱和磁化强度的变化正比于BaTiO_3层的c轴电致伸缩,此现象可归因于BaTiO_3层极化反转引起的界面原子位移,从而影响界面Fe-Ti键长和界面原子之间的轨道杂化。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
单相材料中研究者们也发现了较弱的磁电耦合效应，但由于温度低，同时受限于当时的表征手段，单相多铁性材料的研由于 RMnO3[7,8]、RMn2O5[9]类稀土锰氧化物与 BiFeO3[10]材料单相多铁性材料才重新成为新的研究热点。然而对于目前已是普遍存在居里温度过低、磁电耦合系数太弱、离实用化相了多铁性材料制备的新道路——复合多铁性材料的出现。19合多铁性材料的想法，但受限于当时的实验条件，直到 1974了 BaTiO3(BTO)-CoFe2O4(CFO)铁电/铁磁复合多铁性材料，普通单相多铁性材料大近两个数量级，并且已经可以满足实料的磁电耦合系数相对于单相多铁性材料有极大的提升，并量的关注。但是由于当时制备复合材料的工艺比较复杂，同被大众所发现，随之而来的就是这方面的研究与探索沉寂了对磁电耦合效应的研究逐渐多了起来。尤其是 21 世纪初，磁]，如图 1.1 所示，有关多铁性材料和磁电耦合效应研究的文美国 Science 杂志列为 2008 年最值得研究者关注的七大研究
足信息时代对信息器件多功能化和智能化的要求。现今，随着薄膜制备技术的包括高质量单晶和薄膜制备手段如脉冲激光沉积、分子束外延、原子层沉积等膜复合材料相对于块体磁电复合材料具有可设计性强、有效降低功耗、便于投发等优点，磁电复合薄膜成为了更适应时代发展的热点材料[14-16]。铁性材料从组成上来看可以分为单相多铁性材料和复合多铁性材料。根据晶体相多铁性材料主要分为以下几类：钨锰铁矿晶格结构 MnWO4化合物、六方型稀土锰氧化物、方硼石结构 M3B7O13X 化合物、钙钛矿结构 ABO3型化合物型的单相多铁性材料因结构性能的差异表现出不同强度的磁电耦合效应，但不绝大多数这些材料的磁电耦合效应只有在低温或强磁场等这类极端环境下才能键的是其耦合效应都较弱，这对大范围研究和应用都有不小的挑战。鉴于这些新型结构的多铁性材料以及对多铁性材料的改进将是未来的研究目标与方向[17,合多铁性材料与单相多铁性材料相比，最大的优势是可以选用不同的材料使得，因而可以通过人为的方式设计此类复合多铁性材料，有了更多的可能性，使好的磁电耦合并能适应大多数环境。复合多铁性材料根据材料的组成结构不同，可分为三种类型：0-3 型颗粒复合、1-3 型纳米柱状复合、2-2 型层状复合这三种
5图 1.4 (a)磁电复合材料的四态存储器单元原型, (b)四态存储器的输出结果及四态的变化关系.[29]1.3.2 多铁性材料在新型电写/磁读存储器件中的应用目前已经被大量使用的磁随机存储器（MARM）的存储模式是磁场写入电场读取，存储时需要大体积的磁场附件以及比较大的电流来产生写入磁场，导致这种写入方式存在能量耗费巨大、产热较多以及写入信息会互相干扰等缺点。与 MARM 存储器相比，电写/磁读存储器拥有
【参考文献】
本文编号：2853174
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
单相材料中研究者们也发现了较弱的磁电耦合效应，但由于温度低，同时受限于当时的表征手段，单相多铁性材料的研由于 RMnO3[7,8]、RMn2O5[9]类稀土锰氧化物与 BiFeO3[10]材料单相多铁性材料才重新成为新的研究热点。然而对于目前已是普遍存在居里温度过低、磁电耦合系数太弱、离实用化相了多铁性材料制备的新道路——复合多铁性材料的出现。19合多铁性材料的想法，但受限于当时的实验条件，直到 1974了 BaTiO3(BTO)-CoFe2O4(CFO)铁电/铁磁复合多铁性材料，普通单相多铁性材料大近两个数量级，并且已经可以满足实料的磁电耦合系数相对于单相多铁性材料有极大的提升，并量的关注。但是由于当时制备复合材料的工艺比较复杂，同被大众所发现，随之而来的就是这方面的研究与探索沉寂了对磁电耦合效应的研究逐渐多了起来。尤其是 21 世纪初，磁]，如图 1.1 所示，有关多铁性材料和磁电耦合效应研究的文美国 Science 杂志列为 2008 年最值得研究者关注的七大研究
足信息时代对信息器件多功能化和智能化的要求。现今，随着薄膜制备技术的包括高质量单晶和薄膜制备手段如脉冲激光沉积、分子束外延、原子层沉积等膜复合材料相对于块体磁电复合材料具有可设计性强、有效降低功耗、便于投发等优点，磁电复合薄膜成为了更适应时代发展的热点材料[14-16]。铁性材料从组成上来看可以分为单相多铁性材料和复合多铁性材料。根据晶体相多铁性材料主要分为以下几类：钨锰铁矿晶格结构 MnWO4化合物、六方型稀土锰氧化物、方硼石结构 M3B7O13X 化合物、钙钛矿结构 ABO3型化合物型的单相多铁性材料因结构性能的差异表现出不同强度的磁电耦合效应，但不绝大多数这些材料的磁电耦合效应只有在低温或强磁场等这类极端环境下才能键的是其耦合效应都较弱，这对大范围研究和应用都有不小的挑战。鉴于这些新型结构的多铁性材料以及对多铁性材料的改进将是未来的研究目标与方向[17,合多铁性材料与单相多铁性材料相比，最大的优势是可以选用不同的材料使得，因而可以通过人为的方式设计此类复合多铁性材料，有了更多的可能性，使好的磁电耦合并能适应大多数环境。复合多铁性材料根据材料的组成结构不同，可分为三种类型：0-3 型颗粒复合、1-3 型纳米柱状复合、2-2 型层状复合这三种
5图 1.4 (a)磁电复合材料的四态存储器单元原型, (b)四态存储器的输出结果及四态的变化关系.[29]1.3.2 多铁性材料在新型电写/磁读存储器件中的应用目前已经被大量使用的磁随机存储器（MARM）的存储模式是磁场写入电场读取，存储时需要大体积的磁场附件以及比较大的电流来产生写入磁场，导致这种写入方式存在能量耗费巨大、产热较多以及写入信息会互相干扰等缺点。与 MARM 存储器相比，电写/磁读存储器拥有
【参考文献】
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本文编号：2853174
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