基于锂离子迁移对氧化亚钴的电场调控磁性

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利用电场控制材料的磁性(磁电耦合)是发展高密度、低功耗、高速度、多功能自旋电子器件的关键,已成为自旋电子学领域的研究热点。在各种磁有序材料中,反铁磁性有因其稳定抗干扰、本征高频等诸多优势,近年来吸引了越来越多的研究关注。实现反铁磁材料磁性的电场操控是发展反铁磁信息技术的基础。目前电压驱动的磁性调控技术主要有:通过施加电场使载流子在材料表面积累/耗尽进行磁电调控;利用铁电/铁磁复合材料界面间的应力应变进行调控;利用多铁性材料中铁电性和反铁磁性的磁电耦合进行磁电调控等。然而,当前电场调控磁性大多局限于界面处的有限厚度,而且通常工作在较低温度、较高电压下,有时还需要昂贵的单晶铁电体衬底,所以研究人员一直都在探索实现高效的电场调控磁性的新途径。而且,相较于铁磁材料中广泛开展的电场调控磁性研究,反铁磁材料中的电场调控探索仍然较少。为突破界面限制并实现对反铁磁材料磁性的电场操控,我们开展了基于锂离子电池结构的电场调控反铁磁性材料磁性的探索研究。锂离子电池(LIB)是一种依靠锂离子迁移储能的二次电池。在电池的工作过程中,具有质量轻和半径小等优点的锂离子会在电极材料中快速的嵌入/脱嵌,该过程会伴随着氧化还原反应的进行,材料中部分元素的价态发生变化。作为广泛研究的锂离子负极材料,反铁磁材料氧化钴等过渡金属氧化物随着充放电的进行,磁学特性也会随之改变,因此基于锂离子电池机理进行反铁磁电调控值得期待。而且,有研究表明锂离子的扩散深度可达数个微米,可以获得较大的磁性变化值。然而在目前的磁电研究领域中,基于该机制对反铁磁材料的调控研究仍有待进一步展开。基于上述分析,我们希望借助锂离子电池的结构,研究常见反铁磁材料氧化钴在锂离子迁移过程中的磁性变化,并以此为基础在Co/CoO双层膜中进行交换偏置场的电场调控。这种调控机制将突破了传统磁电调控方法局限于界面或表面的缺陷。值得一提的是,该工作也为锂离子电池领域带来新的表征手段,推动锂离子电池的反应机理研究。为开展锂离子迁移调控磁性工作,我们首先通过MnSe2锂离子电池负极材料的研究,掌握了锂离子电池的组装、测试与分析方法。然后,我们选用反铁磁材料CoOx作为工作电极,锂金属作为对电极,通过改变CoOx中的氧含量,系统地研究了材料在施加电压下的磁性变化,并从磁性表征中推测固体电解质界面膜(SEI)的形成需要钴单质的参与。最后,在Co/CoO双层膜结构中,实现了交换偏置场的电场调控,我们的工作有助于发展电场调控磁性的新途径,促进新型自旋电子器件的发展。
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