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多铁异质结中磁矩与自旋的调控

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  • 【题名】:多铁异质结中磁矩与自旋的调控
  • 【年度】:2020
  • 【作者】:刘鹏飞
  • 【关键词】:多铁材料  垂直磁各向异性  自旋轨道转矩  电学控制  BiFeO3
  • 【摘要】:近些年来,为了发展下一代自旋电子学器件,人们针对电学调控磁性异质结性能进行了大量的研究工作。电学调控的方法主要有两种,即电流方法和电压方法。在电压方法中,多铁材料由于具有强的磁电耦合效应而受到广泛关注。目前,通过多铁材料的磁电耦合效应实现的电学调控已经是自旋电子学的热门研究方向之一。本论文探索了多铁材料在自旋电子学器件中应用的可能性,对多铁异质结中的垂直磁各向异性(PMA)和自旋输运行为进行了系统的研究。论文取得的主要创新性成果如下:(1)在室温下实现了 BiFeO3(BFO)/Al2O3/Pt/Co/Pt多铁异质结的PMA。发现其在不同极化场方向下的矫顽力发生了 400%的变化。研究表明,这种变化的原因是Pt/Co界面处氧化程度的不同。这种自发极化所导致的改变不仅提供了一个研究多铁异质结中界面效应的平台,而且为人们通过氧空位调控PMA以及SOT提供了一种新的可能性。(2)提出了一种调控自旋霍尔角(SHA)和自旋轨道转矩(SOT)效应的方法。在BFO基多铁异质结中实现了 SOT诱导磁矩的完全翻转。发现其临界电流在相反方向的BFO自发极化场下变化了 300%。研究表明,异质结的有效SHA在不同BFO自发极化方向下大约变化了 272%。该变化是由于BFO层中氧空位分布随极化方向的改变而发生变化所导致的。另外,我们还利用这种多铁性异质结设计出了一类新型自旋存储器件和可编程逻辑器件。(3)制备了 Pb(Zr0.2Ti0.8)O3(PZT)/SrRuO3(SRO)多铁异质结,该结构表现出了很强的磁电耦合效应。特别是在Tc温度以下,该异质结表现出一种非易失的磁电耦合效应。我们还研究了该异质结在居里温度(Tc)以下PMA特性。发现在不同的极化场方向下,异质结的饱和磁化强度和矫顽力分别变化了 300%和45%。分析表明,这些变化应该归因于PZT/SRO界面处氧空位数量的不同。(4)实现了不同相BFO基异质结的PMA。发现纯菱相和纯四方相BFO基异质结的反常霍尔效应(AHE)都是一步翻转完成,但是混合相BFO基异质结的AHE则出现了台阶状信号。研究表明,混合相BFO中扭曲的类菱相和类四方相区域是产生这种台阶状信号的关键。在上述三种BFO相的异质结中,都能检测出类阻尼力矩。在混合相BFO基异质结中同样出现了两步翻转的类阻尼力矩信号。考虑到混合相BFO可以被极化场可逆翻转,该研究结果对于开发新型自旋电子学和存储器件具有积极意义。
  • 【分类号】:TB34;TN01
  • 【学位名称】:博士
  • 【导师名称】:姜勇
  • 【学位授予单位】:北京科技大学
  • 【学位年度】:2020
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