Nat. Commun. 單疇的多鐵性BiFeO3薄膜

【引言】

目前，利用電場對材料的晶格、載流子、軌道和自旋進行調控是制作低能耗、多功能和綠色納米電子器件的有效方法。有序參量和固有耦合的存在使得多鐵性材料成為目前研究的熱點。在眾多的多鐵性體系中，BiFeO3 (BFO)是其中被廣泛研究和最具有應用前景的。較大的鐵磁極化強度和高轉變溫度的G-型反鐵磁特性使其可以應用于非易失性的邏輯和存儲元件中。其獨特的性質為在電激勵下調控材料從而得到新的特性提供了絕好的平臺。

【成果簡介】

近日，來自臺灣國立交通大學的朱英豪（通訊作者）等人制備了同時具有磁性和鐵電性質的單疇BiFeO3薄膜，并對其性質進行了研究。

BiFeO3由于其在室溫條件下反鐵磁性和鐵電性質的強耦合作用，所以為制作新的功能材料提供了可能。然而，材料具有的多疇阻礙了對于材料本身性質的研究和機理的理解。本項工作中，作者使用脈沖激光沉積的方法在單晶襯底上生長了BiFeO3薄膜，實驗結果表明，薄膜具有單疇的結構特點，并表現出了良好的磁性和鐵電性能。對薄膜進一步分析得知，其反鐵磁軸沿結晶學b軸，鐵電極化方向沿結晶學c軸。這揭示了傾斜的鐵磁矩是由于Dzyaloshinskii–Moriya作用平行于a軸造成的。此外，對Co/BiFeO3異質結的研究證明了Co薄膜的鐵磁矩與BiFeO3的傾斜磁矩有關。

這項工作對于理解BiFeO3薄膜中的單疇及其內部相互作用提供了新穎的視角，并為設計和制作新型的功能電子器件指明了道路，具有理論和實踐的雙重價值。

【圖文導讀】

圖1 BiFeO3塊體和薄膜的反鐵磁（AFM）結構

圖（a-c）分別是（a）BiFeO3塊體、（b）多反鐵磁軸BiFeO3薄膜、（c）單一反鐵磁軸BiFeO3薄膜的自旋結構圖。

圖（d-g）分別是不同厚度的BiFeO3薄膜在不同入射光方向照射下的軟X-射線吸收光譜。圖中的曲線分別是實驗測得和理論計算的結果，從圖中可以看出，二者符合的很好。小圖是不同實驗條件下的幾何示意圖。圖中綠色箭頭和黃色箭頭分別為入射光的坡印廷矢量和電場矢量，紅色箭頭為反鐵磁軸。

圖2 多疇和單疇的BiFeO3薄膜鐵電性質

圖（a）和圖（b）是厚度分別為200埃和40埃的BiFeO3薄膜的面內和面外壓電響應力顯微鏡（PFM）圖。

圖（c）和圖（d）是厚度分別為200埃和40埃的BiFeO3薄膜在布拉格峰（002）附近的X-射線倒易空間映射圖。

圖3 不同厚度BiFeO3薄膜的X-射線吸收光譜

圖（a）是生長在NdGaO3（NGO）襯底上沒有LaNiO3（LNO）底電極的BiFeO3薄膜（厚度為40埃）的X-射線吸收光譜。

圖（b-g）分別是生長在NdGaO3（NGO）襯底上有LaNiO3（LNO）底電極的BiFeO3薄膜（厚度分別為30-40-50-60-100-200埃）的X-射線吸收光譜。

圖4 單疇BiFeO3薄膜的鐵磁性質

圖（a）是在單疇的BiFeO3薄膜（厚度為40 埃）上生長一層Co金屬薄膜（厚度為30 埃）后得到的異質結構的磁化和鐵電極化軸方位圖。從圖中可以看出，反鐵磁軸平行于b軸，極化方向平行于c軸，因此可以推測鐵磁矩平行于a軸。

圖（b）是BFO(40 埃)/LNO/NGO薄膜的各向同性Fe-L2,3 X-射線吸收光譜（綠色曲線）和入射線分別沿a軸（紅色曲線）和b軸（藍色曲線）的X-射線磁圓二色性譜圖。

圖（c）是Co(30 埃)/BFO(40 埃)異質結構的磁滯回線，磁場方向分別沿a軸（紅色）和b軸（藍色）。

文獻鏈接：Single-domain multiferroic BiFeO3 films?( Nat. Commun. , 2016, DOI: 10.1038/ncomms12712 )

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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