NPG Asia Materials：在高应变BiFeO3薄膜中的电增强磁化强度

基于磁电子学、自旋电子学和高频设备的应用潜力，通过外电场来控制磁场的方法吸引了大量的关注。BiFeO3，在室温下具有铁电性和反铁磁性的强耦合力，并且检测到了BiFeO3薄膜中存在弱铁磁性。因此，通过利用电场来提高BiFeO3的磁化强度在实际应用中是最直观的方法。

Jan-Chi Yang等人的研究主要展示了一种通过电刺激来增强和控制多铁薄膜磁化强度的新方法。首先，为了减弱BiFeO3中反铁磁超交换的相互作用强度，通过应变处理来固定高应变的相。其次，通过电场来控制铁的电极化方向，从而提高高应变BiFeO3相中的dzyaloshinskii–Moriya相互作用。由于BiFeO3存在磁电耦合，可以观察到调节铁电性和改善磁化强度之间有很强的相关性。通过电场不仅可以调节这种强相关性，也为单相多铁磁性提供了一个有趣的路线。

文图导读

图一 高应变BiFeO3薄膜结构分析

图1a是通过扫描在不同基体上的30nm厚的高应变BiFeO3薄膜结构的XRD图谱。在XRD衬底上可以明显的看到BiFeO3薄膜的生长晶面。就用XRD图谱上的（001）晶面来观察，每种基体上的BiFeO3薄膜都是沿着c轴方向生长。

图2a是NdGaO3基体上BiFeO3相的（001）晶面的平面倒易空间映射图。从图中可以看到NdGaO3基体上高应变BiFeO3相与以前观察到的高应变BiFeO3混合相的系统相类似。因此，NdGaO3基体上可以得到预期的高应变BiFeO3薄膜，从而提高铁磁性。

图二 不同大小的外加电场下磁场的相应变化

图2(a-c)分别是在中心区域的相同位置上加上-4V、-6V、-9V电压的显微形貌图和压电响应显微图谱。图中展示了同一晶面的压电响应显微结构对比。由于应用的极化电压作用，交换区域畴结构发生了改变。图2a中极化区域的畴结构表明了与水平的生长方式相对比，该畴结构是一种近乎完美的条状结构。当极化电压升高到-6V时，观察到极化区域的平面内压电响应显微结构比生长区域的要微弱。当极化电压进一步升高到-9V时，在极化区域没有检测到平面内压电响应显微结构，表明了极化区域的铁电的极化旋转方向主要是OOP方向。

图三 高应变BiFeO3薄膜的X射线吸收光谱

图3a表明了BiFeO3/NdGaO3的ILD随温度的变化。插入的图片是利用软X射线分别在27℃和300℃测量 FeL3边缘的X射线偏振线E与C轴平行方向（图中的橙色线）和E与C轴垂直方向（图中的黑线）的吸收光谱。

图3b表明了BiFeO3/NdGaO3薄膜的强度在E//c 和E⊥c 方向的生长（实线）和极化（虚线）软X射线光谱。插入的图是通过XRD图谱来观察C轴的相应变化。轨道的性质和结构的变化可以通过插入的图来说明。

图四 高应变BiFeO3薄膜在磁电机控制下的光发射电子显微结构

图a是BiFeO3薄膜的极化和未极化的XLD图。

图b是BiFeO3薄膜的极化和未极化的XMCD图。

图五 电场诱导磁场变化示意图

图5a是NdGaO3基体上的未极化BiFeO3薄膜晶体结构图，其极化点的方向主要是沿着[111]晶向。BiFeO3薄膜的高应变主要是M1和M2之间的相互作用，使得其晶体发生了3°左右的倾斜，因此净磁场大约有 0.21μB。

图5b是NdGaO3基体上极化的BiFeO3薄膜晶体结构图，沿着[001]方向发生了偏转，使得其倾斜角度大约是5°，最终得到的磁场强度在0.35μB左右。

文献链接：
Electrically enhanced magnetization in highly strained BiFeO3 films
(2016,NPG Asia Materials,DOI:10.1038/am.2016.55)

本文由材料人电子电工材料学习小组zzzz供稿，材料牛编辑整理。

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