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多晶铁酸铋/铁磁薄膜激光退火诱导交换偏置和垂直各向异性的研究

章阳群  
【摘要】:铁酸铋(BiFeO3,BFO)是一种在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的多铁材料,近年来吸引了无数学者的研究,铁酸铋/铁磁(BFO/FM)双层膜体系更是为自旋电子器件实现电调控交换偏置效应提供了可能。尽管如此,室温下在BFO/FM体系中获得较大的交换偏置场仍是目前研究的一个难题。由于传统的加热场冷方式会使得界面的FM和BFO层之间很容易发生相互扩散等作用,这样不仅不能有效地诱导或增强交换偏置场,而且会使本就不太明显的交换偏置效应减弱甚至消失。面对前人研究中遇到的问题,本论文将快速激光退火场冷的方法应用到BFO/FM体系中,成功地调制了该体系的面内交换偏置场的大小,并为在铁酸铋/垂直各向异性薄膜中诱导垂直交换偏置场提供了思路。一、多晶BFO/FM体系中快速激光退火诱导面内交换偏置的研究前人研究表明,在BFO/FM体系中传统的热处理场冷会严重破坏铁酸铋和金属层之间的界面,导致交换偏置效应显著减弱。本论文对多晶BFO/Co薄膜场冷过程使用快速激光退火来代替传统热处理的方法,从而有效地抑制了界面遭破坏的程度,成功地调制了交换偏置场。对于制备态具有交换偏置场的样品,我们发现当激光辐射功率升高至某一数值的时候,样品的交换偏置场会被显著提高。另一方面,对于制备态不具有明显交换偏置场的样品,在一定激光功率辐照后的场冷过程中,交换偏置场将很容易被诱导产生。除此之外,场冷场的方向也可以改变交换偏置场的方向。作为对比,传统热处理场冷既不能诱导也不能增大交换偏置场。我们认为在BFO/Co多层膜中,与传统热处理场冷方法相比,激光快速退火场冷方法能够有效地增强或诱导交换偏置的原因在于在场冷过程中界面扩散能够被有效地抑制。二、 多晶BFO/FM体系下垂直交换偏置的研究在室温下,实验首先研究了多晶BFO/[Co/Pt]n多层膜样品的垂直各向异性与缓冲层厚度、中间层厚度以及周期数的关系。结果表明,样品的垂直各向异性随着缓冲层Pt的厚度增加而增强;而当薄膜中间Co层或者中间Pt层的厚度增加时,垂直各向异性又表现出一定程度的减弱;此外,垂直各向异性随着周期数n的增加而增强。紧接着,实验又初步研究了该系列样品的垂直交换偏置效应与温度的关系,发现经过场冷后,样品在低温下可以产生较弱的垂直交换偏置场,我们把该现象归结于低温下的自旋玻璃交换偏置效应。随着温度的升高,偏置场呈单调减小的趋势,最终在室温下消失。作为后续工作,我们拟在该体系中采用如前所述的激光快速退火场冷的方法,希望能在室温下成功诱导垂直交换偏置场。


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