西安交通大學ACS Nano: 三維異質結構增強磁電耦合效應

【引言】

隨著無線通信技術、信息存儲技術、電磁干擾技術等領域的快速發展，人們對材料的選擇和器件的微型化及集成化設計提出了更高的要求。多鐵性異質結構往往能同時展現出優異的鐵性及各鐵性之間的耦合效應。磁電異質結具有將能量在磁場和電場之間自由轉換以及磁電轉換系數大等諸多優點，因此在傳感器、多態存儲器及射頻微波器件中具有廣泛的應用前景。特別是在磁電雙可調多頻帶微波器件方面既能實現寬頻段范圍內的磁場調節，也能實現小頻段范圍內的電場精確調節。與此同時，隨著溫度參量的引入又能實現熱驅動磁電耦合響應，在微熱驅動的相移器，濾波器及自旋電子器件等方面有潛在的應用價值。

【成果簡介】

近日，西安交通大學電信學院劉明教授團隊在ACS Nano上在線發表了題名為Thermal Driven Giant Spin Dynamics at Three-Dimensional Heteroepitaxial Interface in Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄/BaTiO₃?Pillar Nanocomposites 的論文。該研究采用AAO納米模板輔助PLD技術制備出具有三維異質界面結構的Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄/BaTiO₃(NZFO/BTO)納米復合薄膜。其中以經典的鐵電BTO納米柱陣列作為相變核心再用NZFO鐵磁層包覆，最終構建出幾乎完美的三維異質界面。由于界面處位錯缺陷極少，同時三維結構能極大地削弱源自基板的夾持效應，使BTO納米柱的相變應力有效的作用于鐵磁層。通過對比研究發現這種三維的納米復合結構能極大的增強雙磁子散射效應(TMS)。鐵磁層呈現的三維的形態特征以及構建的三維異質界面增強了TMS效應，最終在TMS的臨界角處獲得高達1866Oe的共振場偏移量。由于相變應力傳遞響應非常快，且在相變附近非常小的溫度波動就能獲得巨大的共振場偏移，因此該研究在微熱驅動的高頻微波器件和自旋電子器件方向存在極大的應用價值。

【圖文導讀】

圖1 NZFO/BTO-pillar復合薄膜的物相和表面形貌圖

(a) 高分辨X射線衍射圖譜，插圖為NZFO/BTO-pillar φ掃圖。
(b) BTO納米柱陣列的表面SEM圖。
(c) NZFO/BTO-pillar復合薄膜的RSM圖。
(d) NZFO/BTO-pillar復合薄膜的AFM。

圖2 三維界面的微結構表征

?(a) NZFO/BTO-pillar復合薄膜低倍數的STEM圖。
(b) SAED圖譜包含三套電子衍射斑，從內至外依次代表NZFO，BTO和STO。
(c) NZFO/BTO/STO交叉界面處的STEM圖。
(d) 原子級分辨的NZFO/BTO界面STEM圖，晶帶軸為[100]，可清楚的分辨鈣鈦礦結構的BTO和尖晶石結構的NZFO構成明顯的界面。同時在NZFO中發現存在納米級的結構有序區域。
(e) 對圖d做傅里葉濾波處理。
(f) BTO和STO界面STEM圖。

圖3 壓電性和磁性基本表征

?(a) 復合薄膜表面的三維AFM圖。
(b) 從BTO納米柱上通過壓電力顯微鏡采集壓電響應曲線。
(c) 室溫下NZFO/BTO-pillar復合薄膜面內和面外的磁滯回線。
(d) NZFO/BTO-pillar復合薄膜在不同溫度下的磁滯回線，插圖為薄膜的場冷和零場冷曲線。

圖4 鐵電相變誘導的巨磁電耦合效應

?(a) 室溫下NZFO/BTO-pillar復合薄膜面內和面外的鐵磁共振波譜。
(b) 共振線寬和磁場角度的極圖，在特殊角度處樣品的共振線寬突然極大展寬。由于TMS這種效應反應的是一種自旋與微波相互作用的弛豫機制。
(c) 隨溫度變化NZFO/BTO-pillar復合薄膜共振場的變化，從三個不同方向做變溫測試，其中在255 K和183 K附近共振場的偏移發生異常，這種偏移是由于BTO鐵電相變引起的應力傳遞到NZFO層誘導的。同時在TMS臨界角處鐵磁共振場偏移最大可達1866 Oe。

圖5 在BTO的O/T相界附近復合薄膜的磁各向異性

(a) 不同溫度下NZFO/BTO-pillar復合薄膜的共振場和磁場角度的極圖。
(b) 通過對5 K和256 K的共振場做差，同樣在TMS臨界角處獲得最大偏移量。

【總結與展望】

該工作采用模板法輔助PLD制備了具有三維異質結構的NZFO/BTO-pillar納米復合薄膜，BTO納米柱陣列作為相變核心。隨著溫度的改變，相變應力傳遞到NZFO鐵磁層促使其磁各向異性發生改變，共振場發生大的偏移。由于界面處位錯缺陷極少，同時削弱了源自基板的夾持效應，有效的使BTO納米柱的相變應力作用于NZFO層。NZFO層三維的形態以及界面增強了TMS效應，最終在雙磁子散射的臨界角時獲得高達1866 Oe的共振場偏移量。由于相變應力的作用非常快，且在相變附近非常小的溫度波動就能獲得巨大的共振場偏移，因此在微熱驅動的高頻微波器件和自旋電子器件方向存在極大的器件化應用價值。

【鳴謝】

該項工作是西安交通大學電信學院博士生董國華在導師劉明教授以及周子堯教授指導下完成的。西安交通大學電信學院電子陶瓷與器件教育部重點實驗室為該論文的第一作者及唯一通訊作者單位。該工作得到中組部“青年千人”項目、國家自然科學基金面上及重點項目等支持。這也是劉明教授團隊在電控磁研究領域2017年以來繼Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nat. Commun.之后的又一重要進展。

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文章鏈接：Thermal Driven Giant Spin Dynamics at Three-Dimensional Heteroepitaxial Interface in Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄/BaTiO₃?Pillar Nanocomposites (ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b00962)

本文由西交大劉明教授團隊提供，特此感謝！

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