多铁性磁电复合薄膜研究_郑仁奎(2013-12)

第33卷第6期2013年12月

物理学进展

PROGRESS IN PHYSICS

Vol.33No.6

Dec.2013

多铁性磁电复合薄膜研究

郑仁奎∗，李晓光†

*中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050

†中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家实验室（筹），物理系合肥230026

摘要:多铁性磁电复合薄膜由于其表现出诸如磁电耦合效应、铁电场效应、交换偏置效应、隧穿电致电阻效应等十分丰富的物理现象以及在高灵敏度磁传感器、多态存储器、换能器等各种功能器件中具有潜在的广泛应用前景而受到国际上的关注。本文主要介绍了层状多铁性磁电复合薄膜材料研究现状、磁电复合薄膜中与界面相关的各种物理效应、基于高性能铁电单晶和钙钛矿锰氧化物薄膜的多铁性异质结中的应变效应与铁电场效应及其相互竞争等磁电耦合特性，并对多铁性磁电复合薄膜材料的发展趋势和应开展的研究提出几点建议。

关键词:磁电复合薄膜；磁电耦合效应；应变效应；铁电场效应；异质结构

中图分类号：O48文献标识码：A

目录

I.多铁性磁电复合薄膜材料研究意义359

II.多铁性磁电复合薄膜材料国内外研究现状360

A.2-2结构的磁电复合薄膜361

B.准2-2结构的磁电复合薄膜363 III.多铁性磁电复合薄膜发展趋势365 IV.发展建议365致谢366参考文献366

I.多铁性磁电复合薄膜材料研究意义

铁电、压电、铁磁、压磁、磁致伸缩、电致伸缩等磁电功能材料以其电、磁、光、热、力及其耦合的机电、磁电、光电等丰富多样的功能和优良的“电–磁–力”转换功能以及快速响应速度等优点而被广泛应用于高灵敏度传感器、存储器、换能器、声纳、微驱动器等各种功能器件中，对国民经济和国防建设有着极为巨大的影响。近年来，随着微电子技术的快速发展，现代工业对电磁功能器件的灵敏度、可靠性、集成化、微型化、

Received date:2013-10-17

∗zrk@;†lixg@ 智能化和多功能化等提出了更高的要求，传统的块体磁电功能材料已经不能满足上述需求，而基于铁电、铁磁（或亚铁磁）两相共存的新一代“多铁性磁电复合材料”则有望满足上述要求而受到广泛关注[1∼15]。

相对于块体磁电复合材料，由薄膜材料组成的磁电复合材料具有如下优势：(1)可利用现代薄膜材料制备技术，如脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射等，通过应变工程(Strain Engineering)和界面工程(Interface Engineering)对相邻的铁电相和铁磁相的界面特性加以设计，实现铁电相与铁磁相在原子尺度上的应变耦合，从而进一步提高磁电耦合效应；

(2)对于层状的磁电复合薄膜材料，可通过改变铁电层和铁磁层薄膜的厚度、取向、层数、生长次序等方式控制磁电耦合系数和频率响应等参数；(3)通过制备高质量的磁电复合薄膜材料有利于研究“自旋–晶格–电荷–轨道”多自由度之间的相互作用和相互竞争机制，从而更深入理解与界面相关的各种效应，揭示磁电耦合的微观物理机制；(4)磁电复合薄膜材料可与半导体硅材料相结合，有望真正实现基于磁电复合薄膜的功能器件的集成化、微型化和多功能化；(5)以单相多铁性材料（如BiFeO3）为组元的磁电复合薄膜（如Au/BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3）具有十分丰富的物理内涵（如磁电耦合效应、隧道磁致电阻效应、隧穿电致电阻效应、铁电场效应、交换偏置效应等），在提高信息存储密度和安全性方面有潜在应用前景。因此，

文章编号:1000-0542(2013)06-0359-10359

360郑仁奎，李晓光:多铁性磁电复合薄膜研究

磁电复合薄膜材料已成为当前材料科学和凝聚态物理学的研究热点。

尽管最近十多年人们对磁电复合薄膜材料进行了大量研究，但有关磁电复合薄膜材料的界面结构设计、可控制备、硅基集成、微弱磁电信号表征、磁电耦合的微观物理机制等方面还面临不少问题，还有若干关键基础问题没有得到很好解决。例如，磁电复合薄膜材料中“电–磁–力”多场耦合机制；铁电极化方向翻转在界面诱导的正（或负）电荷如何影响相邻铁磁层的磁矩大小和取向；相邻层界面的弹性应变在原子尺度上传递的微观物理机制；界面特性（如界面晶格失配、外延性能、死层厚度、缺陷密度、原子扩散、结晶性能等）对磁电复合薄膜材料性能的影响；铁电和（或）铁磁层的厚度、取向等对磁电耦合系数的影响规律；磁电复合薄膜材料的阵列化、小型化以及硅基集成技术等方面仍需要系统深入研究。因此，针对磁电复合薄膜材料有关基础研究和应用基础研究中的几个关键问题，对磁电复合薄膜材料的制备、物理性能以及器件设计展开进一步系统研究，阐明磁电复合薄膜材料“磁–电”耦合的物理本质，获得具有优异磁电耦合效应的磁电复合薄膜材料，并研制基于磁电复合薄膜的原型器件，对提升我国在此领域的应用基础研究水平有十分重要的科学意义和实用价值。

II.多铁性磁电复合薄膜材料国内外研究现

状

目前，磁电复合薄膜材料的研究较为活跃，国际上有关磁电复合薄膜材料的研究主要集中在以下几个方面：

图1.(a-c)分别是0-3，1-3，层状结构的磁电复合薄膜结构模型（取自文献6）

（一）0-3结构的磁电复合薄膜：即铁磁纳米颗粒弥散分布在铁电薄膜基体中形成的磁电复合薄膜，如图1(a)所示。尽管0-3结构的磁电复合薄膜有最大的界面应变传递面积，然而由于铁磁相的电阻通常较小，当铁磁相纳米颗粒所占的体积百分数增大后，铁磁颗粒之间容易相互连接，形成导电通道，使得铁电薄膜基体很难完全极化，因而较难获得大的磁电耦合系数，通常该类复合薄膜的磁电耦合系数在“几十到几百毫伏/cm Oe”量级。如Wan等人[16]在CoFe2O4-Pb(Zr,Ti)O3复合薄膜中获得最大∼317mV/cm Oe的磁电耦合系数。J.H.Park等人[17]在Co-BaTiO3复合薄膜中获得∼160-170mV/cm Oe的磁电耦合系数。H.Ryu等人[18]在NiFe2O4-Pb(Zr,Ti)O3复合薄膜中获得∼16 mV/cm Oe的磁电耦合系数。总的来说，0-3结构的磁电复合薄膜由于铁磁相体积百分数受到限制，且存在一定程度的漏电流现象，因而较难获得大的磁电耦合系数。目前有关0-3结构的磁电复合薄膜的研究相对较少。

（二）1-3结构的磁电复合薄膜：即铁磁纳米柱以垂直于薄膜平面的方式分散在铁电薄膜基体中形成的磁电复合薄膜，如图1(b)所示。1-3结构的磁电复合薄膜也有较大的界面应变传递面积，由于铁磁相的电阻通常较小，因此，其所占的体积百分数也不能太大，否则铁磁纳米柱之间易导通，使铁电基体薄膜很难完全极化。此外，将纳米柱垂直地镶嵌于薄膜基体中的制备工艺相对复杂。

H.Zheng等人[6,19]首先报道了1-3结构的CoFe2O4-BaTiO3复合薄膜的磁电耦合效应，CoFe2O4纳米柱以垂直于薄膜平面的方式镶嵌于BaTiO3薄膜基体中，在BaTiO3的铁电居里温度附近观察到CoFe2O4的磁化强度减小了∼16emu/cm3(∼5%)。磁化强度的减小被认为是由于BaTiO3从立方相到四方相的结构相变诱导的应变使得CoFe2O4受到的压应变减小导致。F.Zavaliche等人[20]在200纳米厚度、体积百分比为35/65的CoFe2O4-BiFeO31-3结构复合薄膜中发现电场可诱导磁化强度方向出现翻转，获得的静态垂直磁电耦合系数α33=∆M/∆E∼1.0×10−2 G cm/V，这一磁电耦合效应被认为起源于以下两个原因：(1)铁磁纳米柱垂直镶嵌于铁电基体中减少了衬底的束缚(clamping)效应；(2)纳米柱与铁电基体具有较大的接触面积且两者之间的外延生长使得应变耦合更为有效。虽然人们对1-3结构的磁电复合薄膜作了较深入研究，然而有些基本问题（例如纳米柱的直径、在铁电基体中的分布密度和分布均匀性对磁电耦合系数的影响、纳米柱与铁电基体界面的晶格匹配关系等）尚未完全弄清楚，需要进一步研究。

（三）层状结构的磁电复合薄膜：该类磁电复合薄膜包括(1)以铁电薄膜和铁磁薄膜作为基本单元形成的双层或多层膜，又称2-2结构的磁电复合薄膜，如图1(c)所示；(2)铁磁薄膜生长在铁电单晶衬底上或