Acta Mater.：“老鐵，鐵酸鎵薄膜的多鐵性能沒毛病！”

【引言】

多鐵材料是一種新型多功能材料，其在高密度數據存儲、傳感器和自旋電子器件等領域都有廣闊的應用前景。多鐵性材料不僅兼具鐵電性和磁性，并且鐵電性與磁性之間可能存在磁電耦合效應，從而可以實現鐵電性和磁性之間的相互調控。盡管多鐵材料的磁電效應研究已開展50余年，但室溫單相多鐵材料仍屈指可數。在眾多的多鐵材料中，GaFeO₃(GFO)具有寬溫域的結構穩定性和可調控的居里溫度（T_c），實際應用潛力大，引起了各國學者的廣泛關注。

【成果簡介】

近日，華盛頓大學李江宇教授、國立交通大學朱英豪副教授和湘潭大學謝淑紅教授（共同通訊作者）等人在Acta Materialia上發表了一篇名為“Tuning Fe concentration in epitaxial gallium ferrite thin films for room temperature multiferroic properties” 的文章，驗證了單相GFO薄膜在室溫下具有鐵電性和磁性。該研究采用雙靶材的脈沖激光沉積（PLD）工藝，成功制備了具有不同Fe含量的單相GFO薄膜。研究發現當過量的Fe分布在GFO晶胞內合適的陽離子位點時，薄膜的T_c高于室溫。在室溫下，通過光學二次諧波極圖（SHG）、電滯回線、熱釋電曲線和壓電力顯微鏡（PFM）證實了GFO薄膜的鐵電性，并且通過施加面內磁場觀測了外磁場調控的壓電響應變化，證明了GFO薄膜的室溫磁電耦合現象。GFO薄膜的磁電耦合現象可以解釋為：GFO的磁性來源于Fe1-O-Fe2鏈的超交換相互作用，而過量的Fe原子可以在GFO晶格內形成額外的Fe1-O-Fe*鍵，當面內（沿c軸）磁場從0 Oe增加到2000 Oe時，Fe2和Fe*晶位處的磁矩增大而Fe1晶位處的磁矩減小，并且這些磁矩的變化導致Fe2和Fe*晶位處的扭曲八面體沿面外（沿b軸）的變形增大，從而增強了GFO薄膜的壓電響應。這一系列研究證實了室溫下具有過飽和Fe含量的GFO薄膜為具有磁電耦合的室溫單相多鐵材料，為其在微電子和自旋電子器件中的應用打下了基礎。

【圖文導讀】

圖1. GFO的結構、局部磁構型和鍵長

（a）GFO的結構，包含了Ga1，Ga2，Fe1和Fe2四個子晶格；

（b）上圖：GFO中Fe1和Fe2晶位處沿c軸的局部磁構型，箭頭指示了Fe 1和Fe 2晶位處的磁矩方向；下圖：在Fe1和Fe2八面體中的Fe-O鍵長，箭頭顯示Fe原子偏離中心的位移和方向；

（c）上圖：具有過量Fe離子的GFO中Fe1，Fe2和Fe*晶位處沿c軸的局部磁構型；下圖：Ga2和Fe*八面體中的Ga/Fe-O鍵長。

圖2. GFO薄膜的XRD分析

（a）GFO(0,50,100和200)薄膜的面外?XRD圖；

（b）GFO(0)和（c）GFO(50)薄膜沿GFO (311)面，YSZ (111)面和ITO (111)面的-掃描圖。

注：“GFO(X)”表示薄膜沉積過程中，每個靶材切換循環過程內，激光轟擊GFO靶材100次時，激光轟擊Fe₂O₃靶材次數為X(= 0，20，50，100，200)的情況下所制備的薄膜。

圖3. GFO的EDS元素分布圖和STEM

（a-d）GFO(200)薄膜表面上Fe和Ga元素在（a，b）和（c，d）1區域的EDS元素分布圖；

（e）GFO(50)薄膜的低倍率STEM圖像；

（f，g）包含ITO/YSZ和GFO/ITO界面的高倍率Z-襯度STEM圖像。

圖4. GFO薄膜室溫磁性能的研究

（a）GFO(X)和Fe₂O₃薄膜的磁化強度與溫度關系圖；

（b）GFO(X)薄膜的T_c以及80 K溫度條件下磁化強度與溫度關系圖；

（c）GFO(100,200)薄膜在室溫下的磁滯回線，插圖為GFO(0,200)薄膜在80K溫度條件下的磁滯回線；

（d-e）GFO(X)和Fe₂O₃薄膜的(d)XAS和(e)XMCD光譜圖。

圖5. GFO薄膜室溫鐵電和壓電性能的研究

（a）隨偏振角變化的GFO(100)SHG極圖；

（b）GFO(100)的電滯回線；

（c）不同極化狀態下GFO(100)薄膜的熱釋電電流與溫度變化關系圖；

（d）GFO(200)的蝶形曲線和單點PFM相位-電壓圖；

（e，f）GFO(200)在PFM寫疇后讀取的振幅和相位分布圖；

（g）GFO(200)上15個點一階和二階諧振壓電響應平均值與AC電壓之間的關系。

圖6. GFO薄膜磁電耦合性能的研究

（a-c）GFO(50)薄膜在0 Oe和2000 Oe下的(a)一階諧振壓電響應、(b)二階諧振壓電響應和(c)壓電響應回線圖；

（d）0 Oe和（e）2000 Oe下的GFO（50）的PFM振幅分布圖；

（f）相應的直方圖分布。

【小結】

該研究使用雙靶材的脈沖激光沉積(PLD)工藝成功制備了具有不同Fe含量的GFO(X)薄膜，并且獲得的GFO(X)薄膜為高質量的單相外延薄膜。結合超導量子干涉設備(SQUID)、XAS和X射線磁性圓二色性(XMCD)等技術，揭示了GFO(X)薄膜的室溫亞鐵磁性，GFO(X)薄膜的Tc溫度提升到室溫以上是由于過量的Fe分布在GFO晶胞內合適的陽離子晶位。通過SHG、電滯回線、熱釋電曲線和PFM等技術驗證了GFO(X)薄膜的室溫鐵電性和壓電性，證實了GFO(X)薄膜的室溫多鐵性，并且通過外部磁場調控壓電響應證明了材料的室溫磁電耦合效應。因此，這一系列的研究證實了單相GFO(X)薄膜為室溫下具有磁電耦合效應的單相多鐵材料。

【文獻信息】

文獻鏈接：Tuning Fe concentration in epitaxial gallium ferrite thin films for room temperature multiferroic properties（Acta Materialia, 2018, doi.org/10.1016/j.actamat.2017.12.041）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組Nancy整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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