本文關(guān)鍵詞：多鐵異質(zhì)結(jié)中的磁電耦合效應(yīng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：如今電子器件科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn),使得日常生活中的各行各業(yè)對(duì)電子器件向微型化、多功能化以及低能耗發(fā)展的需求日益增強(qiáng),甚至逐漸制約了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。人們寄希望于研發(fā)出同時(shí)表現(xiàn)出兩種或兩種以上可應(yīng)用功能性質(zhì)的新材料,以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能夠在單一單元的材料體系中展現(xiàn)多種功能的新型原型器件。身具諸多優(yōu)勢(shì)的多鐵材料因?yàn)橥瑫r(shí)具有鐵電和鐵磁等等鐵性有序以及它們之間的相互耦合效應(yīng),受到人們的廣泛關(guān)注。然而,普通的單相多鐵材料都存在磁電耦合非常弱以及存在溫度低等問題,無法實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。于是人們將研究重點(diǎn)集中在如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)多鐵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),使得界面處的耦合強(qiáng)度增大,在納米尺度范圍內(nèi)調(diào)控磁電耦合。盡管目前人們?cè)诙噼F異質(zhì)結(jié)的磁電耦合研究中取得了可喜的進(jìn)展,然而其中仍然存在著一些問題亟待解決,比如如何在大范圍區(qū)域內(nèi)的對(duì)磁矩取向?qū)崿F(xiàn)便利的非易失可重復(fù)的電場(chǎng)調(diào)控,如何利用電控磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)誘導(dǎo)各向異性阻變,以及如何在室溫、低場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)可觀的磁介電效應(yīng)等等。 針對(duì)上述問題,本論文主要研究了多鐵異質(zhì)結(jié)中的磁電耦合效應(yīng)導(dǎo)致的非易失磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)和各向異性的阻變行為,探討了電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下應(yīng)變誘導(dǎo)磁性變化的內(nèi)在因素,為純電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的非易失存儲(chǔ)器件設(shè)計(jì)提供了研究基礎(chǔ)；初步探索了外加磁場(chǎng)對(duì)多鐵異質(zhì)結(jié)的介電和鐵電性能的影響。 整篇論文分為五個(gè)章節(jié),每一章的主要內(nèi)容概括如下： 在第一章中,我們主要綜述了多鐵異質(zhì)結(jié)中應(yīng)變效應(yīng)和電荷效應(yīng)誘導(dǎo)的逆磁電耦合效應(yīng)等方面的最新研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了鐵電單晶襯底壓電效應(yīng)引起的非易失磁變化,據(jù)此從幾個(gè)方面提出了當(dāng)前研究中仍然有待深入研究和解決的問題。 在第二章中,我們制備了Co/0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(Co/PMN-PT)多鐵性異質(zhì)結(jié),設(shè)計(jì)了一種新型的側(cè)面極化異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),使得磁性薄膜不會(huì)受到鐵電場(chǎng)效應(yīng)帶來的影響,同時(shí)引入更大的應(yīng)變效應(yīng),從而可以實(shí)現(xiàn)純應(yīng)變誘導(dǎo)的磁電耦合效應(yīng)�；谶@種極化結(jié)構(gòu),在室溫下的Co/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)的壓電應(yīng)變誘導(dǎo)的非易失磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。通過引入磁彈各向異性與生長導(dǎo)致的界面各向異性的競(jìng)爭以及鐵電翻轉(zhuǎn)瞬時(shí)電流的作用,我們不僅僅實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)、非易失的90°的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng),更是在異質(zhì)結(jié)大范圍面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了非易失的180°的磁翻轉(zhuǎn),這種翻轉(zhuǎn)過程無需任何外加磁場(chǎng)作用。如果再附加一個(gè)大小約為5Oe的輔助磁場(chǎng),這種180°的磁翻轉(zhuǎn)可以反復(fù)進(jìn)行。隨著磁矩在異質(zhì)結(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng),Co薄膜的面內(nèi)各向異性電阻也伴隨著發(fā)生同步的變化�；贑o/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中這種壓電應(yīng)變誘導(dǎo)的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)和面內(nèi)各向異性電阻的變化,我們可以設(shè)計(jì)電子單刀雙擲開光和兩輸入端的三態(tài)門器件等邏輯器件,或者替代磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電場(chǎng)控制的自旋閥等存儲(chǔ)器件。 在第三章中,研究了在壓電應(yīng)變誘導(dǎo)作用下,Co/PMN-PT異質(zhì)結(jié)中與非易失的易磁化軸轉(zhuǎn)動(dòng)同步發(fā)生的面內(nèi)各向異性電阻的變化。磁各向異性的Co薄膜中易磁化軸方向的電阻大于難磁化軸電阻。通過外加正負(fù)5kV/cm的電場(chǎng),各向異性電阻可以在7.7%和-9.4%之間變化。通過不同外加磁場(chǎng)下系統(tǒng)的各向異性電阻磁阻的測(cè)量表征,對(duì)Co薄膜中不同的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究討論。在低于磁各向異性場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)作用下,兩種極化狀態(tài)的各向異性磁阻曲線表現(xiàn)出近似于90°的相差,對(duì)應(yīng)于異質(zhì)結(jié)中Co薄膜的90°的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。在高于磁各向異性場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)作用下,各向異性磁阻曲線表現(xiàn)出類似于coS2(θ)的非對(duì)稱曲線、對(duì)應(yīng)于異質(zhì)結(jié)Co薄膜中非對(duì)稱的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。極化電場(chǎng)調(diào)控的各向異性電輸運(yùn)行為可以通過增加控制參量和實(shí)現(xiàn)非破壞性讀出為器件提供多功能性。 在第四章中,我們報(bào)道了在La2/3Sri/3Mn03/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中壓電應(yīng)變誘導(dǎo)的非易失的易磁化軸轉(zhuǎn)動(dòng),以及與磁各向異性相關(guān)的面內(nèi)各向異性電阻。結(jié)合對(duì)多鐵異質(zhì)結(jié)面內(nèi)應(yīng)變、表面形貌和鐵電等性質(zhì)的表征,對(duì)LSMO薄膜初始磁各向異性的起源進(jìn)行探究。異質(zhì)結(jié)中壓電應(yīng)變引起的磁彈各向異性與初始磁各向異性的相互競(jìng)爭導(dǎo)致了LSMO薄膜易磁化軸的90°轉(zhuǎn)動(dòng)。將LSMO薄膜進(jìn)一步刻蝕成各向異性電阻測(cè)量電極圖案后,其形狀各向異性不會(huì)影響到薄膜本征的磁各向異性,LSMO薄膜的不同位置都表現(xiàn)出統(tǒng)一的易磁化軸取向。與此同時(shí),LSMO薄膜的面內(nèi)電阻表現(xiàn)出與磁各向異性相關(guān)的各向異性電阻,易磁化軸方向電阻較小,難磁化軸電阻較大。在不同外加磁場(chǎng)下,面內(nèi)各向異性磁阻表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)動(dòng)行為。 在第五章中,選用了PbZr0.52Ti0.48O3制備PbZr0.52Ti0.4gO3/La0.625Ca0.375MnO3(PZT/LCMO)異質(zhì)結(jié)薄膜,獲得物理上更加簡單的磁界面,用以研究1kHz到100MHz頻率范圍中不同磁場(chǎng)、溫度情況下異質(zhì)結(jié)的介電響應(yīng)過程以及鐵電性能的變化。我們觀察到異質(zhì)結(jié)在LCMO的TC的附近表現(xiàn)出52%的磁介電效應(yīng)。通過等效RC回路的擬合分析,電子相分離的LCMO薄膜所引起的界面磁不均一性,使得PZT/LCMO界面在220K表現(xiàn)出巨大的磁介電效應(yīng)和磁阻效應(yīng),從而使異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出溫度依賴的顯著的磁介電效應(yīng)。同時(shí),我們還發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的鐵電性在TC附近以及TC以下也具有不同PZT本征性能的磁場(chǎng)調(diào)控行為：鐵電矯頑場(chǎng)和剩余極化強(qiáng)度在220K附近隨外加磁場(chǎng)增大而減小,在220K以下隨溫度減小出現(xiàn)異常變化。這些變化都主要來源于界面的電阻變化,可以分別用電壓降模型和空間電荷誘導(dǎo)的電極化進(jìn)行解釋。
【關(guān)鍵詞】：多鐵材料 磁電耦合效應(yīng) 異質(zhì)結(jié) 磁介電效應(yīng) 磁各向異性 磁矩轉(zhuǎn)動(dòng) 各向異性電阻和磁阻
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O482.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 多鐵異質(zhì)結(jié)研究進(jìn)展12-56
• 1.1 引言12-15
• 1.2 多鐵性材料15-20
• 1.2.1 單相多鐵材料15-18
• 1.2.2 復(fù)合多鐵材料18-20
• 1.3 磁介電效應(yīng)20-23
• 1.4 多鐵異質(zhì)結(jié)中應(yīng)變誘導(dǎo)的磁電耦合效應(yīng)23-40
• 1.4.1 基于BaTiO_3單晶應(yīng)變誘導(dǎo)的磁電耦合效應(yīng)24-31
• 1.4.2 基于PMN-PT單晶的應(yīng)變誘導(dǎo)的磁電耦合效應(yīng)31-40
• 1.5 多鐵異質(zhì)結(jié)中電荷誘導(dǎo)的磁電耦合效應(yīng)40-45
• 1.6 本章小結(jié)和展望45-47
• 參考文獻(xiàn)47-56
• 第二章 室溫下電驅(qū)動(dòng)多鐵異質(zhì)結(jié)Co/PMN-PT磁矩的非易失轉(zhuǎn)動(dòng)56-90
• 2.1 引言56-58
• 2.2 多鐵異質(zhì)結(jié)的制備與表征58-70
• 2.2.1 多鐵異質(zhì)結(jié)的鍍制58-59
• 2.2.2 側(cè)面極化結(jié)構(gòu)多鐵異質(zhì)結(jié)的制備59-60
• 2.2.3 磁光克爾效應(yīng)以及MOKE測(cè)量60-64
• 2.2.4 多鐵異質(zhì)結(jié)的鐵電性能表征64-66
• 2.2.5 Co薄膜的結(jié)構(gòu)表征66-69
• 2.2.6 相場(chǎng)模擬等理論計(jì)算69-70
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論70-85
• 2.3.1 Co薄膜的磁各向異性的起源70-72
• 2.3.2 外加電場(chǎng)對(duì)異質(zhì)結(jié)中Co薄膜的磁各向異性的調(diào)控72-73
• 2.3.3 Co薄膜易磁化軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程73-75
• 2.3.4 Co薄膜中非易失的易磁化軸轉(zhuǎn)動(dòng)的起源分析75-76
• 2.3.5 Co/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中90°的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)76-77
• 2.3.6 Co/PMN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中180°的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)77-79
• 2.3.7 相場(chǎng)模擬分析90°甚至180°的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)79-81
• 2.3.8 微擾磁場(chǎng)的起源和幅值大小81-83
• 2.3.9 原型器件設(shè)計(jì)83-85
• 2.4 本章小結(jié)85-86
• 參考文獻(xiàn)86-90
• 第三章 多鐵異質(zhì)結(jié)Co/PMN-PT的磁相關(guān)阻變90-103
• 3.1 引言90-91
• 3.2 多鐵異質(zhì)結(jié)的制備與表征91-93
• 3.2.1 多鐵異質(zhì)結(jié)的制備91
• 3.2.2 多鐵異質(zhì)結(jié)的Co薄膜面內(nèi)各向異性電阻和磁性的測(cè)量91-93
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論93-99
• 3.3.1 多鐵異質(zhì)結(jié)中電驅(qū)動(dòng)的易磁化軸的90°轉(zhuǎn)動(dòng)93-95
• 3.3.2 多鐵異質(zhì)結(jié)中電驅(qū)動(dòng)的各向異性阻變行為95-97
• 3.3.3 多鐵異質(zhì)結(jié)中各向異性磁阻以及磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制97-99
• 3.4 本章小結(jié)99-100
• 參考文獻(xiàn)100-103
• 第四章 多鐵異質(zhì)結(jié)LSMO/PMN-PT中電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)易磁化軸轉(zhuǎn)動(dòng)和各向異性電阻103-127
• 4.1 引言103-104
• 4.2 多鐵異質(zhì)結(jié)的制備與表征104-106
• 4.2.1 多鐵異質(zhì)結(jié)的制備104-105
• 4.2.2 多鐵異質(zhì)結(jié)的LSMO薄膜磁性及面內(nèi)各向異性電阻測(cè)量105-106
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論106-123
• 4.3.1 多鐵異質(zhì)結(jié)LSMO/PMN-PT的結(jié)構(gòu)表征106
• 4.3.2 多鐵異質(zhì)結(jié)LSMO/PMN-PT的面內(nèi)應(yīng)變及PFM表征106-111
• 4.3.3 多鐵異質(zhì)結(jié)中未刻蝕LSMO薄膜的面內(nèi)磁性111-113
• 4.3.4 多鐵異質(zhì)結(jié)中電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的LSMO薄膜易磁化軸轉(zhuǎn)動(dòng)113-119
• 4.3.5 形狀對(duì)LSMO薄膜的面內(nèi)磁各向異性的影響119-122
• 4.3.6 多鐵異質(zhì)結(jié)中LSMO薄膜的面內(nèi)各向異性電阻122-123
• 4.4 本章小結(jié)123-125
• 參考文獻(xiàn)125-127
• 第五章 多鐵薄膜PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3/La_(0.62)Ca_(0.38)MnO_3異質(zhì)結(jié)的介電和鐵電性能調(diào)控127-146
• 5.1 引言127-128
• 5.2 多鐵異質(zhì)結(jié)的制備與表征128-131
• 5.2.1 多鐵異質(zhì)結(jié)的制備128-130
• 5.2.2 介電與鐵電性能等電學(xué)測(cè)量130-131
• 5.2.3 介電擬合131
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論131-143
• 5.3.1 磁介電效應(yīng)131-133
• 5.3.2 介電擬合133-134
• 5.3.3 擬合參數(shù)分析134-135
• 5.3.4 界面電阻135-136
• 5.3.5 磁介電效應(yīng)的起源136-138
• 5.3.6 異質(zhì)結(jié)各部分對(duì)阻抗譜的貢獻(xiàn)138-141
• 5.3.7 鐵電行為的調(diào)控141-143
• 5.4 本章小結(jié)143-144
• 參考文獻(xiàn)144-146
• 攻讀博士學(xué)位期間完成的論文目錄146-148
• 致謝148

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：281934