本文關(guān)鍵詞：電場(chǎng)調(diào)控的氧化物與薄膜磁性研究　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：磁性材料在社會(huì)生活與國民經(jīng)濟(jì)中具有廣泛而重要的作用,隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,越來越多的新型磁性材料被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。納米材料具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、催化以及光活性,在新材料的研發(fā)方面開辟了一個(gè)嶄新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)磁性物質(zhì)的粒度進(jìn)入納米范圍時(shí),納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具備了常規(guī)多晶或微晶材料所不具備的磁學(xué)特性。伴隨著對(duì)磁性納米材料高漲的研究熱情以及納米材料獨(dú)有的優(yōu)良特性,磁性納米材料廣泛的用途逐漸被人們所發(fā)掘出來。磁性納米材料被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,磁共振成像,磁流體以及生物醫(yī)學(xué)等眾多方面,并取得了顯著的成效。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)電子元器件的小型化以及多功能化的需求愈加迫切,這使得人們對(duì)多種物理效應(yīng)集于一體的材料的研究表現(xiàn)出更多的關(guān)注和興趣。電極化和磁極化在材料中相互耦合在一起,可以成為設(shè)計(jì)下一代多功能電子信息記錄器件時(shí)的一個(gè)額外自由度,已成為當(dāng)前國際上一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。目前已經(jīng)在單相多鐵性材料以及鐵磁與鐵電新型復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)了鐵磁性和鐵電性相互之間的調(diào)控,也就是說能夠在外加電場(chǎng)下使材料電極化同時(shí)誘導(dǎo)磁極化,或者在外磁場(chǎng)下使材料磁極化的同時(shí)誘導(dǎo)電極化,這種性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)多態(tài)存儲(chǔ)并大幅提高存儲(chǔ)密度。磁電耦合效應(yīng),包含著豐富的物理內(nèi)容,它們涉及到自旋與晶格或聲子之間的耦合、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系、多重元激發(fā)、電子與電子以及電子與聲子間的關(guān)聯(lián)等。磁電耦合效應(yīng)具有廣泛的研究與應(yīng)用價(jià)值�？蒲泄ぷ髡邔�(duì)磁電效應(yīng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)探索,并且在磁電效應(yīng)的應(yīng)用方面取得了許多成績。把磁電效應(yīng)運(yùn)用到設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器件方面,有望實(shí)現(xiàn)理想中的"磁讀電寫"存取方式。傳統(tǒng)的信息器件通過獨(dú)立運(yùn)用電子的電荷或者自旋屬性制得了性能優(yōu)良的信息器件。為了制備獲得功能更強(qiáng)大的非易失性、高密度、低功耗、數(shù)據(jù)傳送比率可靠、快速的存儲(chǔ)器件,人們希望將電荷與自旋同時(shí)運(yùn)用于一個(gè)器件上,實(shí)現(xiàn)電性能和磁性能的相互調(diào)控。通過電場(chǎng)來調(diào)控磁性是半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的熱點(diǎn)問題,并已被在多種材料中廣范研究。具有電場(chǎng)控制的磁性特性的材料將為實(shí)現(xiàn)器件的微型化、多功能化以及超低能耗提供廣闊的機(jī)遇。如何實(shí)現(xiàn)電性質(zhì)與磁性質(zhì)之間的耦合協(xié)同,以及如何制備得到具有較強(qiáng)磁電耦合作用的材料,并深入理解磁電耦合背后的物理機(jī)制是研究磁電耦合材料的重點(diǎn)與關(guān)鍵。本論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(一):我們用固相燒結(jié)法合成了 GdFeO3多晶樣品,并研究了外加電場(chǎng)對(duì)其剩余磁極化強(qiáng)度的調(diào)制作用。我們發(fā)現(xiàn)GdFeO3的磁性在室溫附近具有補(bǔ)償溫度的特性,其剩磁強(qiáng)烈依賴于磁化歷史。當(dāng)外電場(chǎng)施加到GdFeO3樣品上時(shí),不同的剩磁狀態(tài)將會(huì)表現(xiàn)出不同的調(diào)制作用。我們認(rèn)為,外電場(chǎng)不僅通過焦耳熱效應(yīng)影響了樣品的磁性質(zhì),同時(shí)還調(diào)制了 Fe3+離子的單離子各向異性以及Fe3+離子之間的DM交換作用從而使GdFe03樣品的弱鐵磁性發(fā)生了改變。(二):我們制備了 Ag/TiO2/Nb:SrTiO3/Ag器件并研究了電場(chǎng)作用下器件中電致電阻與磁性的共調(diào)控現(xiàn)象。在Ag/TiO2/Nb:SrTiO3/Ag器件中,我們不僅觀察到了 set與reset過程所發(fā)生的偶極電致電阻現(xiàn)象,同時(shí)還獲得了較為顯著的電場(chǎng)調(diào)控的磁性質(zhì)。Ag/TiO2/Nb:SrTiO3/Ag器件的偶極阻變過程可能來源于在TiO2/Nb:SrTi03界面附近注入電子的束縛/解束縛過程所產(chǎn)生的對(duì)于肖特基勢(shì)壘的調(diào)制作用。我們認(rèn)為電場(chǎng)控制的磁性調(diào)制主要來源于伴隨阻變過程而產(chǎn)生的Ti02薄膜中空位的生成與湮滅過程。這種電阻與磁性可以同時(shí)調(diào)制的器件可以被運(yùn)用在信息邏輯存儲(chǔ)器件中。(三):我們制備了 Ag/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag阻變存儲(chǔ)器件并在其中發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)可以同時(shí)引導(dǎo)器件的阻變以及鐵磁性行為。器件中偶極阻變行為來源于Hf02/Nb:SrTiO3界面處注入電子的捕獲以及退捕獲過程對(duì)肖特基勢(shì)壘的調(diào)控作用。在reset過程中隨著負(fù)向掃場(chǎng)電壓的增大,我們?cè)贏g/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag器件中觀察到了多值電阻轉(zhuǎn)變的存在。在Ag/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag器件中發(fā)現(xiàn)的多值阻變效應(yīng)是與reset過程中HfO2/Nb:SrTiO3界面電子捕獲以及退捕獲的程度有關(guān)。我們同時(shí)還證明了電場(chǎng)可以通過控制HfO2薄膜中氧空位的濃度從而控制Ag/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag器件的鐵磁性。隨著最大負(fù)向掃場(chǎng)電壓的增大,器件的飽和磁矩減小,這是因?yàn)椴糠值难蹩瘴辉诖诉^程中消失了。多阻態(tài)效應(yīng)以及電場(chǎng)控制的鐵磁性在超高密度存儲(chǔ)以及磁邏輯器件的應(yīng)用中很有潛力。(四):我們制備了Ag/Nb2O5/Pt器件并研究了電場(chǎng)作用下器件中電致電阻與磁性的共調(diào)控現(xiàn)象。在Ag/Nb2O5/Pt器件中,我們不僅觀察到了set與reset過程所發(fā)生的偶極電致電阻現(xiàn)象,同時(shí)還獲得了較為顯著的電場(chǎng)調(diào)控的磁性質(zhì)。Ag/Nb2O5/Pt器件的偶極阻變過程可能來源于活躍的Ag離子移動(dòng),在材料中形成導(dǎo)電絲以及斷裂的過程。而伴隨著阻變產(chǎn)生的電場(chǎng)控制的磁性調(diào)制則主要來源于伴隨阻變過程而產(chǎn)生的TiO2薄膜中空位的生成與湮滅過程。(五):我們通過用平行板電容器對(duì)HfO2/NbSrTiO3和HfO2/MgO樣品施加了外部電場(chǎng),并且在HfO2/NbSrTiO3樣品中觀察到了電場(chǎng)控制的室溫鐵磁性變化。我們認(rèn)為長時(shí)間的外部電場(chǎng)所驅(qū)動(dòng)的飽和磁矩的改變主要來源于HfO2/NbSrTiO3界面處氧空位濃度的改變。XPS譜表明外加電場(chǎng)同時(shí)也能夠影響到HfO2表面的氧空位濃度,從而影響到材料的磁性質(zhì)。我們?cè)谑覝叵掠^察到的未摻雜HfO2中電場(chǎng)控制的磁性對(duì)于自旋電子學(xué)以及磁信息存儲(chǔ)都有潛在的價(jià)值。
[Abstract]:Magnetic materials have wide and important role in the social life and the national economy, with the development of science and technology, new magnetic materials are increasingly used in various fields. The nano material has excellent optical, mechanical, electrical, magnetic, optical and catalytic activity in the development of new materials has opened up a the new research and application field. When the size of magnetic material into the nanometer range, small size effect of nanometer particles, quantum size effect, surface effect makes it have the magnetic properties of conventional polycrystalline or microcrystalline materials are not available. With excellent characteristics unique to high magnetic nano materials and nano research enthusiasm the use of materials, magnetic nano materials are gradually being excavated. The magnetic nano materials have been widely used in data storage, magnetic resonance imaging, magnetic fluid and biological Medical and other aspects, and achieved remarkable results. With the rapid development of modern information technology, the miniaturization of electronic components and function of the increasingly urgent demand, which makes the research of many physical effects set in one of the materials showed more concern and interest. The electric and the magnetic polarization in the material can be coupled together, design the next generation of multi function electronic information recording device for an extra degree of freedom, has become a new international research hotspot. At present already in multiferroic material and ferromagnetic and Ferroelectric Composite Materials in controlled ferromagnetic and ferroelectric among them, that is to say in the applied field of the material and electrode induced magnetic polarization, or in the external magnetic field and the material and electric magnetic polarization induced polarization, this property can be realized Polymorphic storage and greatly increase the storage density. The magnetoelectric coupling effect, contains rich physical contents, which are related to the coupling between the spin lattice or phonons, strongly correlated electron systems, multiple excitations, electron electron and electron phonon relationship between magnetoelectric coupling effect. With a wide range of research and application. Researchers explored the theoretical analysis and experiments on the magnetoelectric effect, and in the application of magnetoelectric effect has obtained many achievements. The magnetoelectric effect is applied to the design of memory, is expected to achieve the ideal of "electro magnetic read write access mode. The traditional information device through the independent use of electronic charge or spin properties excellent performance is prepared. In order to obtain the information device preparation nonvolatile, more powerful high density, low power consumption, reliable data transfer rate, fast storage device, People want to spin and charge and applied to a device, realize the mutual regulation of electrical and magnetic properties. Through the field to control the magnetic semiconductor spintronics is a hot issue, and has been in a variety of materials in a wide range of research. With a magnetic field controlled material properties for miniature devices. Provide a broad opportunities function and ultra-low energy consumption. How to realize the coupling between electrical properties and magnetic properties of coordination, and how to be prepared with strong magnetoelectric coupling effect of materials, and in-depth understanding of the physics behind the magnetoelectric coupling mechanism is the key of magnetoelectric materials. The main research contents and conclusions of this paper are as follows: (a): we synthesized GdFeO3 polycrystalline samples by solid phase sintering method, and studied the modulation effect of external electric field on the residual magnetic polarization. We found the GdFeO3 magnet With the characteristics of temperature compensation in the vicinity of room temperature, the residual magnetism is strongly dependent on the magnetic history. When the external electric field is applied to the GdFeO3 sample, the remanent state will be different show different modulation effects. We believe that the external electric field not only through the Joule heat effect of magnetic properties of the samples at the same time, between the single ion anisotropy Fe3+ DM ion and Fe3+ ion exchange so that the weak ferromagnetic GdFe03 samples changed the modulation. (two) our Ag/TiO2/Nb:SrTiO3/Ag device were investigated under the action of electric field devices in electric resistance and magnetic properties of CO regulated call phenomenon. In Ag/TiO2/Nb:SrTiO3/Ag devices, we not only observe what happened set and reset dipole electroresistance phenomenon, and also won the dipole resistance magnetic properties of.Ag/TiO2/Nb:SrTiO3/Ag devices, electric control is a significant change of the process can be From the injection for Schottky barrier modulation of electron bound / solutions of bound process produced in the TiO2/Nb:SrTi03 near the interface. We believe that the generation and annihilation of vacancies Ti02 thin film magnetic modulation electric field control mainly originates from the resistance change process produced by the process. This kind of magnetic resistance and can simultaneously modulation device can be used in the logical information memory device. (three): we prepared Ag/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag resistance memory variable and found that the electric field can also guide device resistance and a ferromagnetic behavior in which devices. The dipole resistive behavior stems from the interface of Hf02/Nb:SrTiO3 injected electron capture and capture back role on the Schottky barrier. In the process of reset with negative field sweep voltage increases, we in Ag/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag devices were observed in the presence of multiple resistance transition value. Many values found in the Ag/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag device interface HfO2/Nb:SrTiO3 electron capture resistive effect is associated with the reset process and the degree of return capture. We also proved that the magnetic field can by controlling the concentration of oxygen vacancies in HfO2 films so as to control the Ag/HfO2/Nb:SrTiO3/Ag device. With the maximum negative field sweep voltage increases, the saturation magnetization device this is because of the decrease of oxygen vacancies in the process part of the disappeared. Multi resistance state effect and magnetic field control has a potential application in ultra high density storage and magnetic logic devices. (four) our Ag/Nb2O5/Pt device were investigated under the action of electric field devices in Electric Co regulation due to resistance and magnetic phenomena. In Ag/Nb2O5/Pt devices, we not only observe what happened with set reset of dipole electroresistance phenomenon, but also get more The magnetic dipole resistance properties of.Ag/Nb2O5/Pt devices, the electric field significantly variable process may be derived from the Ag ion movement active, forming process of conductive wire and fracture in the material. And annihilation of TiO2 films with vacancy generated magnetic field controlled resistive modulation produced mainly came from with resistive processes arising in the process. (five): we use the parallel plate capacitor application of an external electric field on HfO2/NbSrTiO3 and HfO2/MgO samples, and observed the change of the field control room temperature ferromagnetism in HfO2/NbSrTiO3 samples. We think that the change of saturation magnetization driven by an external electric field of the long time comes mainly from the interface of HfO2/NbSrTiO3 oxygen vacancy the change of the concentration of.XPS spectra show that the electric field can also affect the concentration of oxygen vacancy on the surface of HfO2, which affects the magnetic properties of materials. We observed at room temperature. The magnetic field controlled magnetic properties in the undoped HfO2 are of potential value for spintronics and magnetic information storage.

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O484.43;TB383.1

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本文編號(hào)：1382886