多铁异质结中电场调控磁性及隧道磁电阻的研究

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近年来,基于多铁性材料及其磁电耦合效应,人们设计和发展了多种磁电耦合电子器件,这些器件被认为是下一代微波电子器件、自旋电子器件的有力竞争者。在众多电场调控磁性的方法中,以应力为媒介的电场调控磁性方法,因其结构简单和效应大等优势,被认为最有可能率先实现应用,已成为多铁性材料研究中重要的方向之一。目前,基于应力的电场调控磁性的研究中,仍有一些关键问题有待解决,其中,在微纳米尺度,表征铁电畴翻转对磁性的影响,不仅涉及重要的科学问题,而且有利于电场调控磁性器件的微型化;此外,虽然人们已提出了基于应力的自旋电子器件的设想,包括无需要外加磁场辅助下,利用应力调控自旋电子学核心器件——磁性隧道结的特性,但实验上尚未见报道。本论文选择了Co40Fe40B20/Pb(Mg1/3Nb2/3)(1-x)TixO3(CoFeB/PMN-PT)铁磁/铁电多铁异质结作为研究对象,围绕电场调控磁性和隧道磁电阻展开了相应的研究。我们利用磁控溅射制备了无磁晶各向异性以及具有丰富铁电畴翻转类型的CoFeB/PMN-PT(001)多铁异质结。通过原位加电场的MOKE显微技术,在微纳米尺度对CoFeB/PMN-PT(001)中电场调控磁性的行为进行了研究,观察到空间分辨的回形(Loop)和碟形(Butterfly)两种调控行为,其源于电场对磁各向异性调控的空间分辨。结合电场调控磁性的各向异性研究及PMN-PT(001)铁电畴翻转类型的表征,我们提出了Loop和Butterfly调控行为和铁电畴翻转类型关联的机制,并通过电场对磁性调控随温度的变化以及微磁模拟进行了验证。这些结果对于利用铁电畴工程实现特殊的电场调控磁性的研究具有参考价值。此外,我们利用磁控溅射在PMN-PT(011)衬底上制备了磁性隧道结多层结构(Magnetic Tunnel Junctions, MTJs),并通过多种表征技术表明了电场可以调控自由层和钉扎层磁矩的相对取向。在此基础上,我们制备了AlOx-MTJs/Piezeoelctrics器件,并在无外磁场辅助下实现了电场对隧道磁电阻(Tunnel Magnetoresistance, TMR)的调控,这对于电场调控磁性在自旋电子学中的应用具有重要的借鉴意义。
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