多铁性铁磁/PMN-PT异质结的逆磁电响应机制及隧道磁电阻效应的研究

论文摘要

随着大数据时代的来临,信息存储已经成为人们关注的焦点,其中,以磁性隧道结（MTJ）为主体的非易失性随机存储技术扮演着极为重要的角色。因此,以磁性随机存储器件（MRAM）为目标器件的MTJ单元研究成为自旋电子学的研究热点。传统的以电流或磁场来写入和读取信息已经不能满足信息革命对电子器件的小型化、电路芯片的大容量或存储信息的高密度化需求,因而寻求新的信息写入机制成为开发新型多功能自旋电子元器件的关键挑战之一。多铁性复合材料可以通过低功耗的电压脉冲而非电流来调控磁化方向,特别是铁磁/压电人工多铁异质结的构建能通过有效的机械应变传递来实现强磁电耦合效应,如果将压电效应引入到MTJ的设计中,实现电场或极化电荷对隧道磁电阻（TMR）效应的调控,探索丰富且复杂的晶格、自旋、电荷及轨道等自由度之间交互耦合的物理问题,不仅具有十分重要的理论价值,无疑是对MRAM应用的极大促进。本论文利用脉冲激光沉积（PLD）法在取向为（100）的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）单晶衬底上外延生长了La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）薄膜。首先,研究了不同外加直流或交流电压下LSMO/PMN-PT异质结磁化强度的变化,并探究了其调制机理。其次,研究了不同外加直流电压下异质结铁磁共振场的变化,在200 V电压下压电应变调制铁磁共振场位移达到170 Oe。最后,在10 K温度下,通过对PMN-PT（100）单晶基底施加垂直膜面的偏压,实现了电场调控TMR效应,在10 kV/cm偏压下观察到了超过了-8%的TMR,这与LSMO构建的MTJ中的最佳记录相似。首次提出了在PMN-PT为衬底的单一LSMO层中观察到类似的TMR效应,且揭示了复杂结构带来的自旋相关输运。接着,本文又利用磁控溅射法在取向为（110）的PMN-PT单晶衬底上外延生长了Ni薄膜。不仅研究了不同外加直流或交流电压下Ni/PMN-PT异质结磁化强度的变化及其调制机理,还研究了不同外加直流电压下异质结铁磁共振场的变化,发现在200 V电压下压电应变调制铁磁共振场的变化显著,位移达到了600 Oe。以上结果对于探索复合异质结的自旋调控方式有一定的借鉴价值,也为多铁异质结在自旋电子学器件中的应用积累了实验基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 多铁性材料与磁电耦合效应的基本概念
•     1.2.1 多铁性材料的基本概念
•     1.2.2 多铁性材料的分类
•     1.2.3 多铁性材料中的磁电耦合效应
•   1.3 多铁性异质结中逆磁电耦合效应的调制机制
•     1.3.1 界面应变诱导耦合机制
•     1.3.2 界面电荷诱导耦合机制
•     1.3.3 交换偏置作用诱导耦合机制
•     1.3.4 轨道重构耦合机制
•   1.4 多铁性异质结中逆磁电耦合效应研究中存在的问题
•   1.5 隧道磁电阻效应及其研究中存在的问题
•   1.6 本论文的选题和研究内容
• 第二章 异质结的制备与表征手段
•   2.1 异质结的制备方法
•     2.1.1 脉冲激光沉积法
•     2.1.2 磁控溅射法
•   2.2 样品的表征手段
•     2.2.1 X射线衍射分析
•     2.2.2 扫描电子显微镜
•     2.2.3 原子力显微镜
•     2.2.4 超导量子干涉仪磁强计
•     2.2.5 磁光克尔效应测试系统
•     2.2.6 电子自旋共振波谱仪
• 第三章 LSMO/PMN-PT多铁性异质结的制备及电控磁性能研究
•   3.1 沉积温度对LSMO/PMN-PT异质结的结构和性能影响
•     3.1.1 PMN-PT单晶基片的电性能分析
•     3.1.2 LSMO/PMN-PT异质结的结构分析
•     3.1.3 LSMO/PMN-PT异质结的表面微观形貌表征
•     3.1.4 LSMO/PMN-PT异质结的磁性能分析
•   3.2 激光能量对LSMO/PMN-PT异质结的结构和性能影响
•     3.2.1 LSMO薄膜的微观形貌表征
•     3.2.2 LSMO/PMN-PT异质结的磁性能分析
•     3.2.3 LSMO/PMN-PT异质结的居里温度测试
•   3.3 LSMO/PMN-PT异质结的电压调控磁光克尔效应（MOKE）测试
•     3.3.1 直流电压调控MOKE测试
•     3.3.2 交流电压调控MOKE测试
•   3.4 LSMO/PMN-PT异质结的电子自旋共振（ESR）测试
•     3.4.1 室温转角ESR测试
•     3.4.2 室温外加电压ESR测试
•   3.5 本章小结
• 第四章 LSMO/PMN-PT多铁性异质结的隧道磁电阻效应及其电场调控
•   4.1 LSMO/PMN-PT异质结的结构、性能的表征与分析
•     4.1.1 PMN-PT单晶基片的电性能分析
•     4.1.2 LSMO/PMN-PT异质结的结构分析
•     4.1.3 LSMO/PMN-PT异质结的表面微观形貌表征
•     4.1.4 LSMO/PMN-PT异质结的磁性能分析
•   4.2 LSMO/PMN-PT异质结的隧道磁电阻效应
•   4.3 本章小结
• 第五章 Ni/PMN-PT多铁性异质结的电控磁性能研究
•   5.1 Ni/PMN-PT异质结的结构、性能的表征与分析
•     5.1.1 PMN-PT单晶基片的电性能分析
•     5.1.2 Ni/PMN-PT异质结的结构及物相分析
•     5.1.3 Ni/PMN-PT异质结的表面微观形貌表征
•   5.2 Ni/PMN-PT异质结的电压调控磁光克尔效应（MOKE）测试
•     5.2.1 直流电压调控MOKE测试
•     5.2.2 交流电压调控MOKE测试
•   5.3 Ni/PMN-PT异质结的电子自旋共振（ESR）测试
•     5.3.1 室温转角ESR测试
•     5.3.2 室温外加电压ESR测试
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的主要科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐航

导师: 李海波

关键词: 多铁性异质结,磁电耦合效应,隧道磁电阻效应

来源: 吉林师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 吉林师范大学

基金: 国家自然科学基金面上项目,吉林省科技厅自然科学基金项目

分类号: O469

DOI: 10.27792/d.cnki.gjlsf.2019.000021

总页数: 57

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