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电场调控铁磁薄膜磁性的研究

周偲  
【摘要】:随着信息存储的不断发展,对磁存储器低成本、高性能和非易失性的要求也越来越高。相比于磁场和电流驱动磁化翻转,电场调控更有优势,比如方便快捷、高效率、低功耗等优点,但是电场直接作用在铁磁材料上的磁电耦合比较弱。如何提高铁磁金属内禀磁电耦合的强度和效率,是电场直接控制磁化动力学面临的关键科学问题。目前,在铁磁/铁电异质结中,可实现强的内禀磁电耦合,然而人们并不清楚什么机制能够实现高强度和高效率的内禀磁电耦合,更不清楚什么样的铁磁/铁电体系能实现电场的长程作用。围绕着这两大问题,本论文主要通过磁控溅射和分子束外延两种制备方法,在单晶铁电基底PMN-PT(Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbTiO_3)上沉积铁磁薄膜,利用静态和动态磁性测试仪器以及电输运测试平台,对这些铁磁/铁电异质结进行电场调控磁性的探究。主要得到以下创新性成果:(1)实现了应力机制调控磁性以及多态存储。在铁磁/PMN-PT异质结中,在外加电场的作用下,实现了应力机制对磁各向异性的调控。通过外加不对称双极电场和电场冷却,发现了应力机制调控的磁性变化由蝶状的对称曲线转变成非易失的loop状曲线,进而通过脉冲电场实现了非易失性的多态存储。(2)提出了铁磁/PMN-PT异质结界面处磁子驱动的自旋屏蔽效应。通过磁控溅射在PMN-PT基底上沉积具有面内单轴磁各向异性的铁磁薄膜,在铁磁/PMN-PT界面处插入非磁层Ta,发现随着外加电场的变化,磁性表现出蝶形易失性行为,这是应力机制引起的;然而在没有非磁层Ta的铁磁/PMN-PT异质结中发现非易失性行为,说明在界面处存在电荷机制。传统电荷机制的作用厚度在埃米量级,而我们这个体系中的铁磁层厚度在纳米量级,考虑到磁相互作用以及自旋扩散,我们提出了磁子驱动的自旋屏蔽效应。(3)证实了铁磁/PMN-PT异质结界面处磁子驱动的自旋屏蔽效应。通过外延在PMN-PT衬底上的单晶铁磁薄膜体系,发现铁磁共振场和饱和磁化强度随着电场的变化呈现出loop状,这与电荷机制引起的磁性变化相一致。从能量的角度,由于难以区分具有相同二重对称性的应力各向异性和界面各向异性,我们利用单晶铁磁薄膜中具有四重对称性的立方磁晶各向异性进行分析。通过在相对应的正负电场下角度依赖的共振场进行相减,得到具有四重对称性的立方磁晶各向异性场随着电场是线性变化的,这与磁子驱动的自旋屏蔽效应引起的饱和磁化强度的变化相关。因此通过单晶体系的铁磁/PMN-PT异质结证实了界面处磁子驱动的自旋屏蔽效应。(4)获得了长程的自旋屏蔽作用长度。通过分子束外延在PMN-PT基底上制备不同厚度的单晶磁性薄膜,厚度都在纳米量级。样品的铁磁共振场随着电场的变化出现loop状,这与应力机制引起的蝶形对称曲线不相符,又由于铁磁厚度在纳米量级,说明其调控机制是磁子驱动的自旋屏蔽效应主导的。通过不同厚度下单晶磁性薄膜的立方磁晶各向异性随着电场的变化曲线,结合理论公式拟合得到单晶磁性薄膜的自旋屏蔽长度,那么就通过铁磁/PMN-PT异质结中不同厚度的单晶磁性薄膜实现了磁子驱动的自旋屏蔽效应的长程作用。


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