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0-3型纳米复合材料P(VDF-TrFE)_(x)FOM_(1-x)磁电耦合效应

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河北大学学报（自然科学版） 2023年第1期43卷 29-34页

作者：袁秋婷郭聪王树雨付跃举董国义河北大学物理科学与技术学院河北保定071002

柔性电子元件的发展日新月异,其中有机薄膜因具有延展性、柔韧性、易制备等优点,使其在智能可穿戴柔性器件领域有着巨大的应用潜力.采用溶胶-凝胶法,利用有机聚合物P(VDF-TrFE)共聚物和有机磁性材料二茂铁间苯甲酰腙(FOM)在柔性聚酰亚胺... 详细信息

柔性电子元件的发展日新月异,其中有机薄膜因具有延展性、柔韧性、易制备等优点,使其在智能可穿戴柔性器件领域有着巨大的应用潜力.采用溶胶-凝胶法,利用有机聚合物P(VDF-TrFE)共聚物和有机磁性材料二茂铁间苯甲酰腙(FOM)在柔性聚酰亚胺(PI)衬底上成功制备了0-3型纳米复合薄膜.结构表征表明,FOM纳米颗粒均匀地分布在P(VDF-TrFE)基质中.纳米复合材料的晶体和微观结构取决于P(VDF-TrFE)和FOM的物质的量比,铁电和磁电响应受到FOM纳米粒子浓度的强烈影响.纳米复合薄膜的磁电耦合系数最高为15.1 mV/(cm·Oe).

关键词： 0-3型结构磁电耦合效应有机复合薄膜

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柔性多铁复合薄膜磁电耦合效应研究进展

化工新型材料 2023年第10期51卷 13-18,25页

作者：孙贵云兰梦双张钦钟思琦张钰林敖鸿李汶川曾志欣吴恒邓小玲高荣礼重庆科技学院冶金与材料工程学院重庆401331 纳微复合材料与器件重庆市重点实验室重庆401331

随着现代信息技术的不断发展,集电、磁于一身的多铁复合薄膜材料因其独特的物理特性已在换能器、传感器、存储器等领域应用广泛。然而,尽管多铁复合薄膜克服了陶瓷因高温烧结造成磁电耦合系数较小的缺点,但多铁复合薄膜中的铁电相也存... 详细信息

随着现代信息技术的不断发展,集电、磁于一身的多铁复合薄膜材料因其独特的物理特性已在换能器、传感器、存储器等领域应用广泛。然而,尽管多铁复合薄膜克服了陶瓷因高温烧结造成磁电耦合系数较小的缺点,但多铁复合薄膜中的铁电相也存在韧性差、脆性大,从而限制其在柔性器件中的应用。通过将铁磁相与具有柔性的铁电相复合而成的柔性多铁复合薄膜理论上可获得强的磁电耦合性能,同时因其具有优异的柔韧性和延展性,有望应用于便携式可穿戴设备、医疗设备、磁电传感器设备等领域。但是,柔性多铁复合薄膜的磁电耦合效应与磁电相的性能、组成、两相的接触面积以及两相间的复合形式等因素有关,其中,复合形式是影响耦合系数的关键因素。因此,综述了国内外复合形式影响柔性多铁复合薄膜磁电耦合效应的研究进展,并提出了一些亟待解决的问题。

关键词：柔性多铁复合薄膜磁电耦合效应复合形式

二维多铁范德华异质结的电子结构和磁电耦合效应

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二维多铁范德华异质结的电子结构和磁电耦合效应

作者：刘雪莹河南师范大学

学位级别：硕士

多铁材料集多种铁性于一身,包含铁磁性、铁电性、铁弹性以及近年来新发现的铁谷性。在一众多铁中,磁电多铁材料因其具备独特的磁性和电性相互调节的能力而备受关注,这为低能耗、高性能、非易失信息存储器件的开发提供了良好的平台。然而... 详细信息

多铁材料集多种铁性于一身,包含铁磁性、铁电性、铁弹性以及近年来新发现的铁谷性。在一众多铁中,磁电多铁材料因其具备独特的磁性和电性相互调节的能力而备受关注,这为低能耗、高性能、非易失信息存储器件的开发提供了良好的平台。然而,研究发现物理尺寸极限下的二维单相多铁材料较少,且较难实现强铁磁性和铁电性的共存。近几年来,二维范德华异质结的出现,以及二维铁电性和铁磁性相继在实验上被验证,为寻找二维多铁材料创造了新的途径——构建二维多铁异质结。关于二维多铁异质结的研究领域较新,所以相关的报道较少,这促使人们去设计二维多铁材料,并为实验提供理论指导。本文基于第一性原理计算研究了二维多铁InSe/CrI和h-VN/WSe范德华异质结中极化反转下磁电耦合效应对电子结构的影响,并考虑了堆叠模式、层厚等因素,主要研究结果如下:(1)将二维铁磁材料CrI和铁电材料InSe堆垛形成多铁范德华异质结来研究磁电耦合效应调控的电子结构,并且考虑了堆叠模式和层厚的影响。对于InSe/CrI双层异质结,其堆叠模式对能带结构的影响可以忽略不计。所有的双层异质结中,上下自旋通道分别具有Ⅱ、I型的能带排列,且铁电极化方向的切换可以诱导CrI的带边向下移动至靠近费米能级,但CrI仍然保持单极性半导体的特性。与双层异质结中CrI单极性半导体的性质相比,三层异质结中额外铁磁或铁电层的加入会显著调控磁电耦合效应,使特定极化方向下的CrI呈现出(双极性)单极性半金属的性质。同时,三层异质结还可以在不同的自旋通道中实现多种能带排列类型,涵盖类型Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。具体结果为:对于CrI/InSe/CrI三层异质结,无论是铁电向上极化还是向下极化,CrI的两个自旋通道与InSe分别形成了Ⅰ和Ⅱ型的能带排列,并且铁电处于向下极化态时,CrI表现为双极性半金属的特性。对于CrI/InSe/InSe三层异质结,向下的铁电极化会导致Ⅲ型能带排列的出现,并且铁电处于向上极化态时,CrI则为单极性半金属。这些结果有望应用于开发基于二维多铁系统的纳米级多功能自旋电子器件。(2)通过全局结构搜索,将铁磁材料h-VN和过渡金属硫属化合物WSe垂直堆叠起来设计了二维多铁异质结。研究结果表明h-VN/WSe既不具备空间反演对称性,又缺乏镜面对称性,所以该异质结构具有自发的面外铁电极化。当h-VN层相对WSe层做层间滑动时,铁电极化的方向可以被反转。同时,计算结果还揭示了h-VN/WSe异质结中磁电耦合效应影响的谷极化行为。当铁电极化向上时,铁磁材料h-VN的自旋上、下取向是简并的,此时在WSe中存在147.99 meV的显著谷极化;当极化反转为向下时,h-VN呈现出磁化向下的基态,在磁近邻效应的影响下谷极化被调整到18.87 meV,这在热力学扰动下可以视为关态。上述结果表明h-VN/WSe异质结在多位信息存储和自旋-谷电子设备方面具有巨大潜力。此外,h-VN的自旋取向(或层间耦合)可以有效的调控谷极化的大小,两个极化方向下谷极化可以分别达到227.00(211.00)meV和20.70(18.87)meV。这些结果为实现二维范德华异质结中的多铁性耦合及其在多功能设备中的应用提供了理论指导。

关键词：二维多铁范德华异质结磁电耦合效应电子结构谷极化

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铵根铁电体基于质子运动的磁电耦合效应研究

铵根铁电体基于质子运动的磁电耦合效应研究

作者：孟蕾哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

人工智能、大数据等技术的发展对计算性能的要求逐步提高,然而,晶体管和存储单元的开发已经达到了微型化的上限。解决方式之一是利用能够在极化和磁化两种状态下进行信息存储的多铁材料,通过每一变量的正负调控以实现四种存储状态。但... 详细信息

人工智能、大数据等技术的发展对计算性能的要求逐步提高,然而,晶体管和存储单元的开发已经达到了微型化的上限。解决方式之一是利用能够在极化和磁化两种状态下进行信息存储的多铁材料,通过每一变量的正负调控以实现四种存储状态。但多铁材料数量少、磁电有序发生温度低等一系列问题阻碍了其在内存设备中的实际应用。近期,六甲基苯中CH和卤化铵(NHX,X=Cl,Br,I)中NH周期性运动导致的磁有序被报道,其磁性来源是质子的轨道运动。这一发现可以根本性地避开铁电与铁磁性质由于电子构型的互斥而无法共存的阻碍,拓宽磁电耦合效应的可能性及多铁材料的体系数量。基于此,本论文对NH铁电体材料的磁电耦合性质进行以下研究:通过测量(NH)SO的磁化率和介电常数,对基于质子轨道运动磁性的新型磁电耦合机制进行分析。在T处,观察到慢速变温的介电常数曲线中出现两个相变峰,磁化率曲线也同步表现出明显的台阶状突变。且沿不同轴向的外加磁场下,磁化率曲线的突变情况与结构中铵根的取向变化相对应。通过对H原子的运动情况的分析及铵根的结构特性,对质子轨道运动产生的磁性进行分析:随着温度的降低,NH的周期性旋转运动方式受到限制,晶格需要变形以消除简并度。(NH)SO含有两种类型的氢键运动,产生的畸变无法相互抵消。相变后变为非中心对称结构,表现出铁电性质。结合NH的圆周轨道运动与HPO中H原子的一维振子运动对结构的影响,对比NHHPO和KHPO磁化率随温度的变化情况。在NHHPO及其部分氘化晶体中,沿不同轴向的磁化率曲线在相变温度T处均有不连续的突变出现。而KHPO中仅存在酸根氢原子的作用,其铁电相变温度处的磁性突变仅出现在a、b轴向且不连续性较弱。通过同位素效应对铁电相变与磁性相变温度的影响,对相变过程中H原子的作用进行分析。对NHAl(SO)·12HO(AASD)的复杂结构中NH的运动对磁化率,介电常数,比热等性质产生的影响进行了测试。当样品从顺电相以1 K/min的速率进行较为快速的降温时,这一过程不利于结构平衡状态的实现,系统维持抗磁性;以0.1 K/min的速率缓慢降温,则质子轨道会变得更加有序,在温度低于相变温度T=58 K后呈顺磁性。通过AASD作为铁电体材料本身具有的铁电极性和在相变温度附近能够通过变温速率控制的两种磁性,可以实现新一代非易失性存储设备的开发构型,成为维持摩尔定律发展趋势的一个新方向。

关键词：磁电耦合效应多铁材料质子动力学铁电体氢键

基于YIG/PZT层合结构的磁电耦合效应研究

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基于YIG/PZT层合结构的磁电耦合效应研究

作者：赵治宇电子科技大学

学位级别：硕士

可调微波器件被广泛的应用于雷达、通信和射频测试系统。传统的基于微波铁氧体旋磁材料的磁可调的互易和非互易的微波器件可以在一个非常宽的频带范围内调节,但是调节速度相对较慢且功耗较大。而另一类采用铁电材料设计的电场可调的微... 详细信息

可调微波器件被广泛的应用于雷达、通信和射频测试系统。传统的基于微波铁氧体旋磁材料的磁可调的互易和非互易的微波器件可以在一个非常宽的频带范围内调节,但是调节速度相对较慢且功耗较大。而另一类采用铁电材料设计的电场可调的微波器件的调节速度更快、功耗更小,但是也存在调节范围小的问题。近来,一种更有前途和应用前景的双向可调微波器件却得到越来越多研究人员的关注,尤其是基于铁氧体-铁电材料层合结构制备的器件,这类器件同时拥有传统磁可调和电可调微波器件的优点。基于铁氧体-铁电材料层合结构的磁电材料具有较强的磁电耦合效应和更大的磁电系数,是磁电双可调微波器件设计的理想材料。本文主要是微波频段下基于YIG/PZT层合结构的磁电材料的应用基础研究,计算了典型磁电层合材料磁电系数的理论值,在HFSS中对YIG/PZT磁电层合材料进行了电磁仿真,仿真结果显示铁磁共振频率与外加偏置磁场和外加电压的改变成线性关系。偏置磁场方向为平行和垂直且PZT两端的电压为1000V时,制备的YIG/PZT磁电层合谐振单元获得了如下电可调性:当YIG薄膜厚度为9.1μm时磁电耦合层合谐振单元的铁磁共振频率漂移量为10.5 MHz和15.8 MHz;而YIG薄膜厚20μm时对应的电调频率范围为8 MHz和13.3 MHz。偏置磁场方向相同的情况下,YIG薄膜更薄的磁电层合材料能获得更强的微波磁电耦合效应;采用相同厚度YIG薄膜的实验样品,在偏置磁场方向垂直时能获得更强的微波磁电耦合效应。对基于静磁表面波原理设计的磁电双可调带通滤波器进行了测试,观察到了磁电耦合现象。

关键词：双可调微波器件 YIG/PZT层合结构磁电耦合效应磁电系数

掺杂HfO2薄膜铁电性和磁电耦合效应的研究

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掺杂HfO2薄膜铁电性和磁电耦合效应的研究

作者：王美美山西师范大学

学位级别：硕士

在电介质晶体中,晶胞正负电荷中心不重合会导致出现电偶极矩,产生的电极化强度不等于零,因而材料具有自发极化的特性,晶体的这种性质叫铁电性。目前的铁电材料有千余种,其在微电子机械系统、射频识别系统以及半导体存储器件中具有广泛应... 详细信息

在电介质晶体中,晶胞正负电荷中心不重合会导致出现电偶极矩,产生的电极化强度不等于零,因而材料具有自发极化的特性,晶体的这种性质叫铁电性。目前的铁电材料有千余种,其在微电子机械系统、射频识别系统以及半导体存储器件中具有广泛应用,其中铁电随机存储器(Fe RAM)是最具有代表性的应用之一,它能将动态随机存取存储器的快速读取和写入访问与非易失存储的断电保留数据能力结合起来,有望在小型电子设备中得到广泛的应用。通常,这些铁电薄膜是基于传统的钙钛矿材料(如Pb(Zr,Ti)O、BaTiO等),但这些材料与Si基半导体工艺的兼容性一直没有很好地解决。近年来发现的HfO基铁电薄膜由于其与Si基半导体工艺的良好兼容性以及不含有毒元素Pb引起人们的研究兴趣,这为构建高密度、非易失存储器件开启了新的路径。但目前仍有许多问题没有得到有效解决,比如怎样有效提高HfO薄膜中非对称性铁电晶相的形成,如何获得剩余极化强度大和抗疲劳特性好的铁电薄膜,以及如何推动室温铁电HfO薄膜器件化等。针对上述问题,我们采用脉冲激光沉积法在Si/Si-O/Ti/Pt(111)基片上生长了La掺杂HfO薄膜、Tm掺杂HfO薄膜以及La-HfO/CoFeO多层膜,对其微观结构、电学性质、磁学性质和磁电耦合效应进行了研究,主要内容和结论有:(1)在La掺杂的HfO薄膜中,通过调控基片温度、沉积氧压以及后退火工艺优化出高比例正交相结构的室温铁电性薄膜,尤其是700℃快速退火的薄膜剩余极化强度(Pr)约为27μC/cm,接近于传统铁电材料的铁电性能;同时退火后La-HfO薄膜表现出微区电畴翻转;另外,在这种铁电薄膜中还探测到室温铁磁性,表明这种特殊的薄膜结构可以同时引起铁电和铁磁性。(2)在Tm掺杂的HfO薄膜中详细研究了样品由电导相到类铁电相的转变过程,获得未经退火工艺处理的宏观室温类铁电Tm-HfO薄膜,并利用氮气退火工艺有效地提高了薄膜的铁电性,自发极化强度约为54μC/cm,剩余极化强度达到48μC/cm;而且通过氮气和氧气循环退火有效地降低了Tm-HfO薄膜中的缺陷浓度,使得薄膜漏电流密度减小了三个数量级。(3)在室温铁电HfO薄膜生长和性能基础上,制备出La-HfO/CoFeO铁电/铁磁异质结结构,澄清了HfO薄膜铁电性与正交相结构的内在关联,通过外电场有效调控了这种铁磁/铁电异质结的磁畴翻转,表明这种复合结构中较强磁电耦合效应的存在。总之,我们实验制备出与Si基半导体工艺良好兼容的掺杂HfO基铁电薄膜和异质结构,通过电场有效调控了磁化翻转,为HfO基铁电薄膜材料在未来低功耗、高密度微电子器件中的应用提供了实验依据。

关键词：掺杂HfO2薄膜脉冲激光沉积法铁电性能退火工艺磁电耦合效应

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基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器研究

基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器研究

作者：李进明青岛大学

学位级别：硕士

本世纪以来,随着多铁性磁电材料的深入研究,基于磁电耦合效应的磁场型传感器相比其它磁场型传感器具有灵敏度高、成本低、易于小型化和集成化等优势,是当今微弱磁场信号检测领域研究的热点。本文从传感器的制备、测试系统的搭建与优化... 详细信息

本世纪以来,随着多铁性磁电材料的深入研究,基于磁电耦合效应的磁场型传感器相比其它磁场型传感器具有灵敏度高、成本低、易于小型化和集成化等优势,是当今微弱磁场信号检测领域研究的热点。本文从传感器的制备、测试系统的搭建与优化、传感器性能的影响因素及微弱磁场信号检测等方面开展了系统的工作,主要研究结果如下:1.磁电耦合传感器材料的制备与表征以及测试系统的搭建利用固相烧结法制备了纯度高、压电性能良好的锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O压电陶瓷(PZT):其横向压电系数d达到-280 pC/N,介质损耗tanδ=1.5%;利用磁控溅射法制备出具有良好软磁性能(H=12Oe)且平整度高(0.521nm)的FeCoB铁磁薄膜。利用环氧树脂胶粘接或镀膜的方式制备出传感器之后,本文自主研制了基于磁电耦合效应的测试系统并对测试性能进行了优化:首先搭建了一套ME基础的测量装置,能够对传感器的一系列输出的交/直流信号进行采集和处理,进而得到传感器的磁场分辨率、灵敏度、线性度、输出波形及功率谱密度等重要的性能指标。减振-真空-磁屏蔽装置能够有效地降低外界振动噪声和磁噪声对传感器输出信号的干扰,从而提高测量精度;并利用自建的电阻应变片测量装置以对铁磁材料的磁致伸缩性能进行测量和表征;电荷放大器(AD745)能够放大传感器产生的微弱电荷量,从而提高了灵敏度。在测量低频信号时,简单二阶低通滤波电路可以滤掉高频噪声。交流信号可以通过全波精密整流电路转换为直流信号。这三种电子器件的应用对信号的测量起到增益的效果,使测试系统的性能得到优化。传感器制备与测试系统搭建是本文开展后续工作的前提。2.磁电耦合传感器性能影响因素的探索分别从传感器的工作环境(包括测量频率和直流偏置磁场)及传感器的材料(包括材料的尺寸结构、铁磁材料的各向异性、压电陶瓷的掺杂改性和压电陶瓷的极化)两部分对传感器的影响因素进行了探索,并得出了一系列结论,为后续微弱磁场信号测量工作奠定了基础。3.基于磁电耦合效应的微弱磁场检测(1)制备的PZT/FeCoSiB Metglas磁电耦合传感器在70.0-73.4 kHz(谐振频率为72.2 kHz)的3.4 kHz频率范围内,其分辨率均小于1.0 nT,具有较高的实际应用价值;(2)使传感器处于谐振频率且对外界磁场变化最敏感的工作点,利用工作点微扰法测量直流分辨率,测得PZT/FeCoSiB Metglas磁电耦合传感器的直流分辨率为0.9 nT,其噪声功率谱密度低至0.1 nT(Hz);(3)利用频率调制的方法保留传感器在谐振频率较强的ME性能且大大削弱了1f噪声的影响。基于该测量方法,制备的PVDF/FeCoSiB Metglas磁电耦合传感器在84、11、6、0.8和0.1 Hz的测量频率下,交流磁场分辨率分别高达0.8、1.6、3.2、8和16 nT,传感器白噪声水平约为50pT(Hz)。

关键词：磁电复合材料磁电耦合效应磁场分辨率频率调制技术工作点微扰法

YIG-P(VDF-TrFE)多铁性复合薄膜的磁电耦合效应及光学特性研究

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YIG-P(VDF-TrFE)多铁性复合薄膜的磁电耦合效应及光学特性研究

作者：贾凡华中科技大学

学位级别：硕士

多铁性材料由于本身特有的磁电耦合效应,以及所表现出的“磁-电”双调谐性能,能够满足当前通讯领域对器件小型化,多功能,可集成等方面的要求,引起了研究者的广泛关注。本论文选择钇铁石榴石(YIG)-P(VDF-TrFE)复合薄膜多铁体系为研究对象... 详细信息

多铁性材料由于本身特有的磁电耦合效应,以及所表现出的“磁-电”双调谐性能,能够满足当前通讯领域对器件小型化,多功能,可集成等方面的要求,引起了研究者的广泛关注。本论文选择钇铁石榴石(YIG)-P(VDF-TrFE)复合薄膜多铁体系为研究对象,主要进行了复合薄膜的多铁性,逆磁电耦合效应,微波磁介电效应以及电场调控复合薄膜的光学带隙等多个方面的系统研究。以下为论文主要内容:首先,本文表征了0.4YIG-0.6P(VDF-TrFE)复合薄膜的多铁性及其磁电耦合性能。结果发现,复合薄膜同时具有铁电性与铁磁性,证明了体系存在多铁性;观测到了复合薄膜的逆磁电耦合效应,其主要机理是体系内的应力耦合机制,同时偏置磁场的方向改变会引起逆磁电耦合系数α变化(E⊥H为1.10%,E∥H为1.59%);微波波段(10-400MHz)的磁介电效应最大值MD=3.5%,分析介电常数实部与介电损耗随偏置磁场的变化规律,认为复合薄膜的磁介电效应是由应力耦合机制及磁阻效应与“麦克斯韦—瓦格纳”效应共同作用导致的。由于YIG优异的磁光性能及其在磁光薄膜器件方面的广泛应用,本文接着研究了偏置电场对xYIG-(1-x)P(VDF-TrFE)多铁性复合薄膜光学特性的影响。结果显示,复合薄膜的光学带隙会随偏置电场的增大而发生红移(YIG比重x=0.05,0.10,0.20的复合薄膜光学带隙在6MV/m的偏置电场下的变化量分别达到了0.11eV,0.13eV,0.17eV),分析认为体系内存在铁电相P(VDF-TrFE),其本身的电光效应会导致材料的光学带隙受偏置电场调制,体系中的应力耦合机制(磁电耦合性能)及铁磁相YIG的塞曼效应对这一结果也有贡献。

关键词：多铁复合薄膜磁电耦合效应磁介电效应光学带隙

低维材料体系中磁性及磁电耦合效应的第一性原理研究

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低维材料体系中磁性及磁电耦合效应的第一性原理研究

作者：宋俞茜华东师范大学

学位级别：硕士

如今大数据时代背景下,信息存储和安全与人们息息相关。研究者们正在致力于解决信息存储所面临的巨大挑战,例如,如何进一步地扩大器件的存储密度,缩小器件的尺寸,降低器件的功耗,提高存储的稳定性。磁性纳米材料是制备低功耗、非易失的... 详细信息

如今大数据时代背景下,信息存储和安全与人们息息相关。研究者们正在致力于解决信息存储所面临的巨大挑战,例如,如何进一步地扩大器件的存储密度,缩小器件的尺寸,降低器件的功耗,提高存储的稳定性。磁性纳米材料是制备低功耗、非易失的信息存储器件的优秀候选者,其中所蕴含的丰富的物理机制着实引人入胜。基于该研究背景,本论文将聚焦低维纳米材料体系中磁性、磁各向异性以及磁电耦合效应等磁学方面的研究,结合第一性原理计算和数学解析等方法,深入学习相关现象和效应的物理根源和本质,从而指导新型信息存储材料的研究和器件设计。本论文从该课题的研究历史和现状出发,在第一章绪论部分介绍和回顾了包括电学手段起主导作用的电控磁技术、磁电耦合效应、单原子自旋等自旋电子学领域中重要技术的发展过程,阐明课题的研究意义和大致方向。紧接着,通过回顾多体问题演变成单电子求解的发展历程,于第二章阐述了本论文主要的研究手法,即基于密度泛函框架下的第一性原理计算,其作为核心研究手段贯穿整个论文工作之中。在磁性纳米存储体系中,单原子自旋系统有望实现新一代的原子级磁存储极限。第三章将致力于研究Mn、Fe和Co等过渡金属原子掺杂对单层过渡金属硫化物WS的磁性调控。利用第一性原理计算,我们发现当Co原子掺杂在W空位时,体系会产生30meV左右增强的垂直各向异性。结合微扰理论和数值解析方法,我们揭示了自旋-轨道耦合强度、以及不同元素产生的不同交换劈裂能所引起的能级重组,都会导致磁各向异性能的显著变化。同时,我们还计算了掺杂对单层WSe、WTe、MoSe和MoTe等二维材料的磁性、磁各向异性影响。该研究为将来设计具有单原子自旋系统的磁存储器件奠定了理论基础。随着电学手段的发展,电控磁技术逐渐成为信息存储材料和器件研究的主要方向之一。第四章中,我们围绕该技术展开,利用简单电沉积方法并采用离子胶材料形成双电层结构,设计并制备一个同轴圆柱型Ni/Cu自旋电容器器件。然后,我们从实验表征和理论计算两方面对该器件的电控磁效果进行研究,发现正是基于铁磁层的表面磁电耦合效应使得体系的磁矩发生显著变化,并且该效应可以通过减薄铁磁层厚度以及增加Ni/Cu丝的数量来增强。相较于传统电容器,该Ni/Cu自旋电容器器件能同时存储电荷和自旋,并且可以在室温下正常工作,在自旋电子学领域具有广泛的应用前景。令人感到有趣的是,在对上述实验进行计算模拟的过程中,我们发现Ni/Cu界面处也存在着微小的磁电耦合效应。因此,在第五章的工作中,我们带着这一疑惑,对铁磁金属和非磁金属构成的复合结构进行研究。通过建立简单的Ni/Cu内部微观模型,阐明了产生界面磁电效应的原因以及金属内部电荷和自旋如何在外加电场下产生变化,证实了多层膜结构的确会产生较为复杂的磁电效应现象。进一步地,我们思考如何增强该界面效应,并展望未来新型的基于磁电耦合叠加效应的器件模型。该工作拓宽了第四章的研究内容,丰富了磁电多层膜结构中电控磁技术所蕴含的物理机制,为设计基于电控磁技术的存储器件提供了新思路。最后,第六章我们总结上述的所有工作,并对未来磁性存储和信息功能器件的研究进行了展望。通过这一系列对低维材料体系中磁性及磁电耦合效应的研究,我们对其调控的方法和手段,影响的因素和程度,以及材料的基础物性会有更深刻的认识。相信这些研究都将推进自旋电子学及新一代信息存储器件的发展,使其朝着更高集成密度和更低功耗等目标不断迈进。

关键词：低维材料电控磁磁电耦合效应磁各向异性第一性原理计算