电场调控氧化铁磁性能的研究
许多科研工作开始聚焦于利用电子自旋属性来实现信息的读写和开关控制，并尝试设计开发出更新型的器件。通过外部手段来控制材料磁特性是非常需要的研究课题。基于电控磁性能的研究已经开展并获取了一定的成功。着力于电流调控材料或器件磁性的研究已经取得了显著的进展。如果利用电场取代电流来调控磁性，可以显著降低能耗。电场调控反铁磁性或亚铁磁性材料磁性能的研究也已经取得了一定的成果。具有代表性的铁元素的氧化物中的α-Fe2O3和γ-Fe2O3是反铁磁性或亚铁磁性的不导电材料。它们的用途非常广泛，对电场调控它们的磁性能的研究是非常必要的。界面科学为研究氧化铁的性能和潜在用途提供了更多的机会。本论文实验利用PLD技术在单晶衬底上沉积了不同结构的氧化铁薄膜并进行了研究。 由于γ-Fe2O3薄膜在自旋电子学和信息存储方面的潜在应用，近来倍受关注，尤其是γ-Fe2O3/MgO薄膜。本论文在MgO(001)单晶衬底上沉积了不同厚度的γ-Fe2O3薄膜。结果发现，γ-Fe2O3/MgO(001)薄膜的室温饱和磁化强度随着膜厚的增大而减小。这一现象可能与以下两点有关。第一是在较高的衬底温度和较高的氧压条件下，随着膜厚的增加，形成的无序区域的增加的效果。第二个原因是界面效应:在沉积过程中发生的一些镁离子从MgO衬底到γ-Fe2O3薄膜的迁移效应可能会产生较大饱和磁化强度。厚度较小的薄膜中拥有更为显著的界面效应，因此在较薄的膜中能观察到较大的饱和磁化强度。在室温下对γ-Fe2O3/MgO(001)薄膜施加垂直于薄膜平面的外电场的处理可以调节膜的磁特性。施加垂直正向电场（正电场方向为从衬底指向薄膜）处理后，γ-Fe2O3/MgO(001)薄膜的饱和磁化强度随着外加正电场的增大而增大，但饱和磁化场随着外加正电场的增大而减小。这种变化是非易失的。而对初始状态的γ-Fe2O3/MgO(001)薄膜直接施加垂直负电场时，饱和磁化强度变化微弱。电场对γ-Fe2O3/MgO(001)薄膜磁性的调控可能与在正向垂直电场的驱动下来自氧化镁衬底的Mg2+阳离子向γ-Fe2O3薄膜的迁移效应以及从γ-Fe2O3薄膜的O2-离子向MgO的迁移效应有关系。此外电场对薄膜磁性的调控在膜厚较小的样品中更容易、更明显。在室温下施加垂直正向电场处理后，γ-Fe2O3薄膜的电阻率明显下降，而薄膜负磁阻得到增强，这可能是由于Fe2+δ和Fe3+的之间的电子跳跃几率得到增加有关。 电场对γ-Fe2O3/MgO(001)薄膜磁性能的调控存在一个提高磁化强度的正阙值电场。这说明Mg2+阳离子在正向电场驱动下向γ-Fe2O3薄膜的迁移效应需要克服界面处的某种电场势垒。Mg2+阳离子更倾向于占据γ-Fe2O3薄膜反尖晶石结构中的B空位。利用vasp软件进行的第一性原理计算结果表明，在γ-Fe2O3晶胞的B位置入的Mg可以引起最近邻的A位Fe原子向B空位移动。置入的Mg引起了局部结构扭曲和电荷分布的改变。当在γ-Fe2O3单胞中置入一个Mg后，总磁矩增大了2μB。Mg占据B位还引起了带隙的缩小和分离态能带的出现。当Mg占据B空位时，可能会引起Fe2+δ(0＜δ＜1)离子的出现，电导率应该来源于Fe2+δ和Fe3+离子之间的电子跳跃，印证了实验测量出外加正向电场导致MgO衬底上的γ-Fe2O3薄膜电阻下降和磁电阻增强的结果。 当复合材料的表面或界面是极性时，其物理性质应与体相不同。根据经典的静电学理论，理想的极性表面和界面通常是不稳定的，因为静电势可能在整个系统中单调增加，导致极化灾难问题。对先进的界面的研究和设计将成为研究具有新功能设备领域的有效的设计路线。作为重要的铁氧化物之一的γ-Fe2O3的极性表面或界面，尤其是γ-Fe2O3和MgO之间的这一自旋电子学中重要的界面，还没有被完全理解。我们研究了γ-Fe2O3/MgO(001)的极性界面结构和生长模式。分析表明在MgO(001)衬底上可以以(100)或(010)生长方式沉积满足化学计量配比的γ-Fe2O3（空间群P41212）。在该构建的沉积模型中，界面处的第一个B层比其他B层多了三个B位的Fe3+离子，富余的这三个Fe3+离子修正了界面层成份的化学计量，并且提供了可以稳定极性表面的补偿电荷。这个模型中富余的这三个Fe3+提供了额外的15μB的磁矩，这为为什么非常薄的γ-Fe2O3/MgO薄膜的Ms值大于γ-Fe2O3块体的值提供了一个合理的解释。 由于传导电子在金属/绝缘体界面处的散射作用，α-Fe2O3层可以用作具有很大的磁电阻比的自旋阀的钉扎层。研究电场能否直接影响α-Fe2O3薄膜的磁性能是一个很有吸引力的问题。考虑到α-Al2O3和α-Fe2O3均为菱形刚玉晶体结构，用α-Al2O3作为α-Fe2O3薄膜的衬底是一个很好的选择。由于超交换作用，α-Fe2O3表现出反铁磁性绝缘体的性质。但是在Morin温度以上，由于Dzyaloshinsky-Moriya(DM)效应引起两种次晶格磁化略微倾斜，α-Fe2O3表现出弱的铁磁性。本论文中实验发现，室温下的α-Fe2O3/α-Al2O3的弱铁磁性不仅来自于α-Fe2O3本征的自旋倾斜，而且还来自α-Fe2O3/Al2O3薄膜界面的影响。我们对α-Fe2O3/α-Al2O3薄膜磁性能的电场调控进行了研究。发现正向电场可以提高α-Fe2O3/Al2O3薄膜的室温磁性能，而负电场可以降低薄膜的室温磁性能。并且这种调控也是具有不易失性。我们认为电场引起的α-Fe2O3/Al2O3薄膜磁性能的变化可能与Al3+离子的迁移作用有关。我们还发现饱和磁化强度依赖外加正向电场的变化曲线上有一些取决于正向电场大小的的台阶，这可能反映了这种电场驱动的离子迁移效应是一个比较复杂的过程。此外，在较高温度下沉积的α-Fe2O3/Al2O3薄膜的磁化强度可以更容易地通过外加电场来改变。第一性原理计算结果表明，无论是Al占据氧四面体位置还是八面体位置都可以增加α-Fe2O3的磁矩，这可以归因于电荷重分布和由局部结构畸变引起的轨道杂化的变化。 此外，我们还研究了电场α-Fe2O3/LiTaO3薄膜磁性的调控。结果与α-Fe2O3/Al2O3薄膜相似，可能与电场驱动的离子的迁移作用有关。第一性原理计算结果表明，无论是Li占据氧四面体位置还是八面体位置都可以增加α-Fe2O3的磁矩。 γ-Fe2O3和α-Fe2O3都是晶体材料。非晶态的Fe2O3具有不同于这些晶体材料的性质。非晶态Fe2O3被认为是可用于先进应用领域的先进材料。对非晶Fe2O3的磁性能的电场调控的研究也非常重要。我们的对非晶态Fe2O3/LiTaO3薄膜的电场调控磁性能进行了研究。实验结果表明，非晶Fe2O3/LiTaO3薄膜在室温下有显著的磁滞回线，这可能与非晶薄膜中存在的一些铁磁有序团簇或亚铁磁有序团簇以及界面效应有关。在室温下，通过对非晶Fe2O3/LiTaO3薄膜施加正向电场实现了超过十倍变化的磁性能的可逆调控。反向负电场则可以降低薄膜的室温饱和磁化强度。这种调控也同样是具有不易失性。由电场引起的磁性能的这种变化可能与锂离子的置入到非晶Fe2O3薄膜（锂化）和被抽取（脱锂）的这两个迁移效应有关，而且Fe203/LiTaO3薄膜的饱和磁化强度随外加电场的变化曲线并不是单调增加的。曲线上有一些取决于施加电场强度大小和方向的极大值和极小值，这反映出在非晶Fe203/LiTaO3薄膜中，电场调控的锂化和脱锂的过程更加复杂。
氧化铁薄膜;磁性能;迁移效应;电场环境
山东大学
博士
材料物理与化学
胡季帆
2018
中文
TM271;TM201.45
146
2018-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）