Nat. Commun. 单畴的多铁性BiFeO3薄膜

【引言】

目前，利用电场对材料的晶格、载流子、轨道和自旋进行调控是制作低能耗、多功能和绿色纳米电子器件的有效方法。有序参量和固有耦合的存在使得多铁性材料成为目前研究的热点。在众多的多铁性体系中，BiFeO3 (BFO)是其中被广泛研究和最具有应用前景的。较大的铁磁极化强度和高转变温度的G-型反铁磁特性使其可以应用于非易失性的逻辑和存储元件中。其独特的性质为在电激励下调控材料从而得到新的特性提供了绝好的平台。

【成果简介】

近日，来自台湾国立交通大学的朱英豪（通讯作者）等人制备了同时具有磁性和铁电性质的单畴BiFeO3薄膜，并对其性质进行了研究。

BiFeO3由于其在室温条件下反铁磁性和铁电性质的强耦合作用，所以为制作新的功能材料提供了可能。然而，材料具有的多畴阻碍了对于材料本身性质的研究和机理的理解。本项工作中，作者使用脉冲激光沉积的方法在单晶衬底上生长了BiFeO3薄膜，实验结果表明，薄膜具有单畴的结构特点，并表现出了良好的磁性和铁电性能。对薄膜进一步分析得知，其反铁磁轴沿结晶学b轴，铁电极化方向沿结晶学c轴。这揭示了倾斜的铁磁矩是由于Dzyaloshinskii–Moriya作用平行于a轴造成的。此外，对Co/BiFeO3异质结的研究证明了Co薄膜的铁磁矩与BiFeO3的倾斜磁矩有关。

这项工作对于理解BiFeO3薄膜中的单畴及其内部相互作用提供了新颖的视角，并为设计和制作新型的功能电子器件指明了道路，具有理论和实践的双重价值。

【图文导读】

图1 BiFeO3块体和薄膜的反铁磁（AFM）结构

图（a-c）分别是（a）BiFeO3块体、（b）多反铁磁轴BiFeO3薄膜、（c）单一反铁磁轴BiFeO3薄膜的自旋结构图。

图（d-g）分别是不同厚度的BiFeO3薄膜在不同入射光方向照射下的软X-射线吸收光谱。图中的曲线分别是实验测得和理论计算的结果，从图中可以看出，二者符合的很好。小图是不同实验条件下的几何示意图。图中绿色箭头和黄色箭头分别为入射光的坡印廷矢量和电场矢量，红色箭头为反铁磁轴。

图2 多畴和单畴的BiFeO3薄膜铁电性质

图（a）和图（b）是厚度分别为200埃和40埃的BiFeO3薄膜的面内和面外压电响应力显微镜（PFM）图。

图（c）和图（d）是厚度分别为200埃和40埃的BiFeO3薄膜在布拉格峰（002）附近的X-射线倒易空间映射图。

图3 不同厚度BiFeO3薄膜的X-射线吸收光谱

图（a）是生长在NdGaO3（NGO）衬底上没有LaNiO3（LNO）底电极的BiFeO3薄膜（厚度为40埃）的X-射线吸收光谱。

图（b-g）分别是生长在NdGaO3（NGO）衬底上有LaNiO3（LNO）底电极的BiFeO3薄膜（厚度分别为30-40-50-60-100-200埃）的X-射线吸收光谱。

图4 单畴BiFeO3薄膜的铁磁性质

图（a）是在单畴的BiFeO3薄膜（厚度为40 埃）上生长一层Co金属薄膜（厚度为30 埃）后得到的异质结构的磁化和铁电极化轴方位图。从图中可以看出，反铁磁轴平行于b轴，极化方向平行于c轴，因此可以推测铁磁矩平行于a轴。

图（b）是BFO(40 埃)/LNO/NGO薄膜的各向同性Fe-L2,3 X-射线吸收光谱（绿色曲线）和入射线分别沿a轴（红色曲线）和b轴（蓝色曲线）的X-射线磁圆二色性谱图。

图（c）是Co(30 埃)/BFO(40 埃)异质结构的磁滞回线，磁场方向分别沿a轴（红色）和b轴（蓝色）。

文献链接：Single-domain multiferroic BiFeO3 films ( Nat. Commun. , 2016, DOI: 10.1038/ncomms12712 )

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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