铁磁/铁电复合系统的磁化强度动力学研究

摘要

2007年，Science杂志将多铁性材料作为七大研究热点之一进行报道之后，掀起了多铁性材料研究的热潮。相比单相多铁材料磁电耦合弱、居里温度低等缺点，铁磁/铁电异质结构的多铁性材料更受人们青睐。目前，多铁性异质结中电场调控磁性的研究试图解决两大问题：一是面对应用需求，如何实现非易失性的磁性电场调控？二是针对电场调控磁性的机制尚不清楚，如何探索磁电耦合带来的新物理效应？本论文以FM/PMN-PT(Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)多铁性异质结为载体，利用磁控溅射制备了Co(CoZr)/PMN-PT多铁性异质结，通过磁滞回线、铁磁共振以及磁谱测量等表征手段，系统地研究了电场对其静态和动态磁性的调控和规律，得到的创新性成果如下：
　　1.发现了应变诱导磁电耦合导致的多态存储。通过改变Co薄膜面内易磁化轴沿着铁电基底的不同方向，实现了各向异性等效场大小和方向的可逆电场调控。自然共振频率和磁导率与电场呈现Butterfly型依赖关系，说明应变机制占主导地位。通过改变不同温度，发现PMN-PT基底的应变曲线可以由Butterfly形变成Loop形，进而在250K下通过调节激励脉冲电场和磁场的大小，获得了应变诱导磁电耦合导致的非易失四种剩磁态，为电场调控多态存储提供了实验基础。
　　2.发现了界面自旋极化电荷导致的磁电耦合新效应。在Co(15nm)/PMN-PT异质结构中，发现电场诱导铁磁共振(FMR)谱线形变现象。不同厚度以及插入非磁层Ta的样品测试表明这一新实验现象源于界面自旋极化电荷导致的磁电耦合效应。利用随温度降低电极化强度P变小甚至消失，发现200K以下FMR谱线线形随电场不再变化，证实了这一现象来自P&M耦合作用。理论上，考虑界面电荷静电效应，结合铁磁中的自旋扩散以及磁交换作用，构建了界面自旋极化电荷诱导磁电耦合效应的模型。
　　3.发现了界面自旋极化电荷诱导磁电耦合导致的各向异性。在较薄铁磁Co/PMN-PT多铁性异质结中，应变和界面自旋极化电荷机制同时存在。利用两种机制对电场响应的不同对称性，通过数学差值法处理不同电场下FMR共振场随角度的依赖关系，获得了应变和界面自旋极化电荷机制各自诱导的各向异性场。结果表明，小电场(E≤5kV/cm)情况下，电场调控的各向异性等效场中，界面自旋极化电荷机制起主导地位。同时，改变电极化强度和磁化强度间的夹角，得到了磁电耦合下Butterfly和Loop两种有效阻尼行为，其各向异性与传统的铁磁薄膜不同。
　　4.发现了界面自旋极化电荷诱导磁电耦合导致的可变动态磁导率。在剩余极化状态下，改变外加直流磁场，发现Co/PMN-PT多铁性异质结的磁谱线形存在明显的变化。除了共振频率随磁场增加而提高之外，磁导率数值不仅可以在正值范围内可变，而且能够从正值变化到负值。通过Pt隔离的双层铁磁薄膜FeNi/Pt/CoZr/PMN-PT体系，证明了由于铁磁/铁电界面处的自旋极化电荷磁电耦合效应导致了负动态磁导率的出现。这一新的实验现象为新型绿色信息功能器件的设计和应用提供新的思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 多铁材料的分类

1.3 铁磁/铁电多铁性异质结中的磁电耦合效应

1.4本论文的研究动机和主要研究内容

参考文献

第二章 FM/FE样品的制备与表征技术原理

2.1 薄膜样品制备

2.2 样品性能参数的表征

参考文献

第三章 应变诱导磁电耦合与多态存储

3.1引言

3.2 PMN-PT铁电基底特性

3.3电场调控Co薄膜面内各向异性场

3.4电场调控Co薄膜面内磁矩转动

3.5 非易失性四态存储器

3.6本章小结

参考文献

第四章 界面自旋极化电荷诱导的磁电耦合效应

4.1 引言

4.2 电场诱导FMR谱线形变

4.3 界面自旋极化电荷诱导的磁电耦合效应

4.4 本章小结

参考文献

第五章 界面自旋极化电荷磁电耦合效应诱导的各向异性

5.1引言

5.2区分应变机制和自旋极化电荷机制的磁电耦合效应

5.3 界面各向异性场和阻尼因子

5.4 本章小结

参考文献

第六章 界面自旋极化电荷磁电耦合效应诱导的可变动态磁导率

6.1 引言

6.2 电场调控Co/PMN-PT动态磁导率

6.3 双层膜结构验证动态磁导率的可变铁电调控机制

6.4 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7.1本论文的主要结论

7.2 对未来工作的展望

在学期间已发表和接受的论文

致谢