多铁性异质结界面电荷耦合效应研究

作     者：吉航 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王寅岗

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：多铁性异质结 电荷耦合效应 电场控制磁性能 纯电子载流子机制 相变机制 键长机制 

摘      要：多铁性材料因其巨大的应用潜力受到国内外学者的广泛关注,信息化的发展又使得多铁性异质结成为了重点研究对象。对多铁性异质结进行研究的目的是利用磁电耦合效应实现电场对异质结磁性能的调控。电荷耦合效应因其在低能耗、高密度、多功能微型存储器件中的巨大应用潜力而受到广泛关注。由于界面互相作用以及电荷耦合效应影响因素的复杂性,界面电荷耦合调控多铁性异质结磁性能的物理机制尚不明确。本论文对电荷耦合效应调控多铁性异质结磁性能的耦合机制进行了系统研究,以期为磁电材料的应用提供理论指导。首先,尽管研究者们对FeO的Verwey相转变进行了持续半个多世纪的广泛研究,但Verwey相转变的内在机制仍然存在很大的争论,需要继续深入研究。本文研究了50K-150K范围内由电场反转调控FeO/SrTiO多铁性异质结磁性能,发现电荷耦合效应不仅可以调控FeO磁性能并且引起了FeO的Verwey相转变温度偏移了13K。本文分别提出了两个模型来解释电荷耦合效应对FeO磁性能以及Verwey相转变温度的调控,证明了相变机制的存在,初步揭开了FeOVerwey相转变之谜。本文研究了不同温度下电场反转调制Fe/SrTiO多铁性异质结磁性能,发现当位于界面处的SrTiO层处于电子聚集态时Fe层的磁性能较高,而SrTiO层处于电子耗散态时Fe层的磁性能较低,本文提出了一个电场翻转造成的Fe层自旋态电子密度变化的定性模型来解释这种现象。同时,本文还发现随着温度的升高,由电场反转而获得的磁电转换系数与磁化强度的变化逐渐降低,当温度升至室温时,电场反转对异质结磁性能的调控效果几乎为零,此现象可归因于温度升高造成的SrTiO介电层介电常数降低以及自旋电子运动的无序化。最后,本文研究了室温下电场调控FeO/BaTiO多铁性异质结磁性能,获得了0.72 Oe?cm/kV的磁电转换系数,实验证明了电荷耦合效应中键长机制的存在。FeO/BaTiO多铁性异质结饱和磁化强度的变化正比于BaTiO层的c轴电致伸缩,此现象可归因于BaTiO层极化反转引起的界面原子位移,从而影响界面Fe-Ti键长和界面原子之间的轨道杂化。