NPG Asia Materials：在高應變BiFeO3薄膜中的電增強磁化強度

基于磁電子學、自旋電子學和高頻設備的應用潛力，通過外電場來控制磁場的方法吸引了大量的關注。BiFeO3，在室溫下具有鐵電性和反鐵磁性的強耦合力，并且檢測到了BiFeO3薄膜中存在弱鐵磁性。因此，通過利用電場來提高BiFeO3的磁化強度在實際應用中是最直觀的方法。

Jan-Chi Yang等人的研究主要展示了一種通過電刺激來增強和控制多鐵薄膜磁化強度的新方法。首先，為了減弱BiFeO3中反鐵磁超交換的相互作用強度，通過應變處理來固定高應變的相。其次，通過電場來控制鐵的電極化方向，從而提高高應變BiFeO3相中的dzyaloshinskii–Moriya相互作用。由于BiFeO3存在磁電耦合，可以觀察到調節鐵電性和改善磁化強度之間有很強的相關性。通過電場不僅可以調節這種強相關性，也為單相多鐵磁性提供了一個有趣的路線。

文圖導讀

圖一 高應變BiFeO3薄膜結構分析

圖1a是通過掃描在不同基體上的30nm厚的高應變BiFeO3薄膜結構的XRD圖譜。在XRD襯底上可以明顯的看到BiFeO3薄膜的生長晶面。就用XRD圖譜上的（001）晶面來觀察，每種基體上的BiFeO3薄膜都是沿著c軸方向生長。

圖2a是NdGaO3基體上BiFeO3相的（001）晶面的平面倒易空間映射圖。從圖中可以看到NdGaO3基體上高應變BiFeO3相與以前觀察到的高應變BiFeO3混合相的系統相類似。因此，NdGaO3基體上可以得到預期的高應變BiFeO3薄膜，從而提高鐵磁性。

圖二 不同大小的外加電場下磁場的相應變化

圖2(a-c)分別是在中心區域的相同位置上加上-4V、-6V、-9V電壓的顯微形貌圖和壓電響應顯微圖譜。圖中展示了同一晶面的壓電響應顯微結構對比。由于應用的極化電壓作用，交換區域疇結構發生了改變。圖2a中極化區域的疇結構表明了與水平的生長方式相對比，該疇結構是一種近乎完美的條狀結構。當極化電壓升高到-6V時，觀察到極化區域的平面內壓電響應顯微結構比生長區域的要微弱。當極化電壓進一步升高到-9V時，在極化區域沒有檢測到平面內壓電響應顯微結構，表明了極化區域的鐵電的極化旋轉方向主要是OOP方向。

圖三 高應變BiFeO3薄膜的X射線吸收光譜

圖3a表明了BiFeO3/NdGaO3的ILD隨溫度的變化。插入的圖片是利用軟X射線分別在27℃和300℃測量 FeL3邊緣的X射線偏振線E與C軸平行方向（圖中的橙色線）和E與C軸垂直方向（圖中的黑線）的吸收光譜。

圖3b表明了BiFeO3/NdGaO3薄膜的強度在E//c 和E⊥c 方向的生長（實線）和極化（虛線）軟X射線光譜。插入的圖是通過XRD圖譜來觀察C軸的相應變化。軌道的性質和結構的變化可以通過插入的圖來說明。

圖四 高應變BiFeO3薄膜在磁電機控制下的光發射電子顯微結構

圖a是BiFeO3薄膜的極化和未極化的XLD圖。

圖b是BiFeO3薄膜的極化和未極化的XMCD圖。

圖五 電場誘導磁場變化示意圖

圖5a是NdGaO3基體上的未極化BiFeO3薄膜晶體結構圖，其極化點的方向主要是沿著[111]晶向。BiFeO3薄膜的高應變主要是M1和M2之間的相互作用，使得其晶體發生了3°左右的傾斜，因此凈磁場大約有 0.21μB。

圖5b是NdGaO3基體上極化的BiFeO3薄膜晶體結構圖，沿著[001]方向發生了偏轉，使得其傾斜角度大約是5°，最終得到的磁場強度在0.35μB左右。

文獻鏈接：
Electrically enhanced magnetization in highly strained BiFeO3 films
(2016,NPG Asia Materials,DOI:10.1038/am.2016.55)

本文由材料人電子電工材料學習小組zzzz供稿，材料牛編輯整理。

如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，并且想及時掌握電子材料研究學術動態并深入剖析行業現狀，請加入材料人電子電工材料學習小組（加入方式：點我報名或者申請加入我們學習小組QQ群：482842474)