Acta Mater.：“老铁，铁酸镓薄膜的多铁性能没毛病！”

【引言】

多铁材料是一种新型多功能材料，其在高密度数据存储、传感器和自旋电子器件等领域都有广阔的应用前景。多铁性材料不仅兼具铁电性和磁性，并且铁电性与磁性之间可能存在磁电耦合效应，从而可以实现铁电性和磁性之间的相互调控。尽管多铁材料的磁电效应研究已开展50余年，但室温单相多铁材料仍屈指可数。在众多的多铁材料中，GaFeO₃(GFO)具有宽温域的结构稳定性和可调控的居里温度（T_c），实际应用潜力大，引起了各国学者的广泛关注。

【成果简介】

近日，华盛顿大学李江宇教授、国立交通大学朱英豪副教授和湘潭大学谢淑红教授（共同通讯作者）等人在Acta Materialia上发表了一篇名为“Tuning Fe concentration in epitaxial gallium ferrite thin films for room temperature multiferroic properties” 的文章，验证了单相GFO薄膜在室温下具有铁电性和磁性。该研究采用双靶材的脉冲激光沉积（PLD）工艺，成功制备了具有不同Fe含量的单相GFO薄膜。研究发现当过量的Fe分布在GFO晶胞内合适的阳离子位点时，薄膜的T_c高于室温。在室温下，通过光学二次谐波极图（SHG）、电滞回线、热释电曲线和压电力显微镜（PFM）证实了GFO薄膜的铁电性，并且通过施加面内磁场观测了外磁场调控的压电响应变化，证明了GFO薄膜的室温磁电耦合现象。GFO薄膜的磁电耦合现象可以解释为：GFO的磁性来源于Fe1-O-Fe2链的超交换相互作用，而过量的Fe原子可以在GFO晶格内形成额外的Fe1-O-Fe*键，当面内（沿c轴）磁场从0 Oe增加到2000 Oe时，Fe2和Fe*晶位处的磁矩增大而Fe1晶位处的磁矩减小，并且这些磁矩的变化导致Fe2和Fe*晶位处的扭曲八面体沿面外（沿b轴）的变形增大，从而增强了GFO薄膜的压电响应。这一系列研究证实了室温下具有过饱和Fe含量的GFO薄膜为具有磁电耦合的室温单相多铁材料，为其在微电子和自旋电子器件中的应用打下了基础。

【图文导读】

图1. GFO的结构、局部磁构型和键长

（a）GFO的结构，包含了Ga1，Ga2，Fe1和Fe2四个子晶格；

（b）上图：GFO中Fe1和Fe2晶位处沿c轴的局部磁构型，箭头指示了Fe 1和Fe 2晶位处的磁矩方向；下图：在Fe1和Fe2八面体中的Fe-O键长，箭头显示Fe原子偏离中心的位移和方向；

（c）上图：具有过量Fe离子的GFO中Fe1，Fe2和Fe*晶位处沿c轴的局部磁构型；下图：Ga2和Fe*八面体中的Ga/Fe-O键长。

图2. GFO薄膜的XRD分析

（a）GFO(0,50,100和200)薄膜的面外 XRD图；

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

注：“GFO(X)”表示薄膜沉积过程中，每个靶材切换循环过程内，激光轰击GFO靶材100次时，激光轰击Fe₂O₃靶材次数为X(= 0，20，50，100，200)的情况下所制备的薄膜。

图3. GFO的EDS元素分布图和STEM

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

（e）GFO(50)薄膜的低倍率STEM图像；

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

图4. GFO薄膜室温磁性能的研究

（a）GFO(X)和Fe₂O₃薄膜的磁化强度与温度关系图；

（b）GFO(X)薄膜的T_c以及80 K温度条件下磁化强度与温度关系图；

（c）GFO(100,200)薄膜在室温下的磁滞回线，插图为GFO(0,200)薄膜在80K温度条件下的磁滞回线；

（d-e）GFO(X)和Fe₂O₃薄膜的(d)XAS和(e)XMCD光谱图。

图5. GFO薄膜室温铁电和压电性能的研究

（a）随偏振角变化的GFO(100)SHG极图；

（b）GFO(100)的电滞回线；

（c）不同极化状态下GFO(100)薄膜的热释电电流与温度变化关系图；

（d）GFO(200)的蝶形曲线和单点PFM相位-电压图；

（e，f）GFO(200)在PFM写畴后读取的振幅和相位分布图；

（g）GFO(200)上15个点一阶和二阶谐振压电响应平均值与AC电压之间的关系。

图6. GFO薄膜磁电耦合性能的研究

（a-c）GFO(50)薄膜在0 Oe和2000 Oe下的(a)一阶谐振压电响应、(b)二阶谐振压电响应和(c)压电响应回线图；

（d）0 Oe和（e）2000 Oe下的GFO（50）的PFM振幅分布图；

（f）相应的直方图分布。

【小结】

该研究使用双靶材的脉冲激光沉积(PLD)工艺成功制备了具有不同Fe含量的GFO(X)薄膜，并且获得的GFO(X)薄膜为高质量的单相外延薄膜。结合超导量子干涉设备(SQUID)、XAS和X射线磁性圆二色性(XMCD)等技术，揭示了GFO(X)薄膜的室温亚铁磁性，GFO(X)薄膜的Tc温度提升到室温以上是由于过量的Fe分布在GFO晶胞内合适的阳离子晶位。通过SHG、电滞回线、热释电曲线和PFM等技术验证了GFO(X)薄膜的室温铁电性和压电性，证实了GFO(X)薄膜的室温多铁性，并且通过外部磁场调控压电响应证明了材料的室温磁电耦合效应。因此，这一系列的研究证实了单相GFO(X)薄膜为室温下具有磁电耦合效应的单相多铁材料。

【文献信息】

文献链接：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）

本文由材料人编辑部金属材料学术组Nancy整理编译，点我加入材料人编辑部。

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