電控磁實驗說明

1、我們實驗的目的是利用BiFeO3的 反鐵磁性，與上面的鐵磁層的界 面交換耦合作用，同時利用 BiFeO3的磁電耦合效應，這樣我 們就可以通過加在BiFeO3層上的 電壓，改變其鐵電極化方向，通 過磁電耦合效應從而帶動其反鐵 磁疇的轉動，再通過交換偏置效 應，帶動被釘扎的鐵磁層的磁矩 轉動，實現(xiàn)外加電場對磁性的調 控。這是一種間接的調控效應， 電場（或者電壓）是加在BiFeO3層上的，而能夠被測量到的被調控的磁性是鐵磁層的磁矩。如果再把這種電場調控的交換偏 置效應應用于自旋電子學器件，就可以實現(xiàn)外加電場對器件磁電阻等自旋相關的效應的調 控，而不需要通過外加磁場，從而極大的減小能耗，簡化器件結構，

2、減小器件尺寸。BiFeO3是室溫反鐵磁鐵電材料，它的鐵電極化 方向沿著111方向，同時其反鐵磁磁矩沿著與 111垂直的1-10方向螺旋，共有三個等效方 向。每個螺旋方向會在界面處與鐵磁層磁矩耦 合，產(chǎn)生交換偏置場和矯頑力的增強。但是由 于存在這三個等價的方向，因而在空間如果完 全無序的情況下，就不會存在凈的交換偏置場， 而只有矯頑力的增強，這也是很多文獻報道的 結果。目前，外加電場調控BiFeO3的反鐵磁疇， 從而帶動鐵磁層的磁矩轉動的實驗，大部分都 表明這種調控是不可逆的，也就是外加電場導致交換偏置場的減小，但是不論怎么加電場都 無法恢復交換偏置場的大小。我們初步認為這有可能是在電極化的翻轉

3、過程中，鐵磁層對反 鐵磁層的反作用太微弱，導致三個等效方向沒有差異，從而最終導致反鐵磁疇的完全無序， 因為交換偏置場逐漸減小。由于無法實現(xiàn)某個方向的特殊性，從而無法使交換偏置場恢復。而BiFeO3與La07Sr03MnO3雙層膜的電場控制交換偏置效應則是可逆的，在相關的文獻中， 他們特別研究了剩磁的取向對電控交換偏置效應的影響，從這里也許我們可以推斷，鐵磁層 的磁取向通過交換耦合效應對BiFeO3的反鐵磁疇取向施加了影響。但是La07Sr03MnO3的居 里點雖然高于室溫，但是交換偏置效應的凍結溫度則只有150K，遠低于室溫。如果要實際 應用，我們還是要實現(xiàn)電場對BiFeO3與NiFe等鐵磁金

4、屬交換偏置效應的可逆調控。從上面的結果我們可以初步設計一個實驗，就是我們在外加磁場（盡可能大的磁場）的情況 下，外加電場改變BiFeO3的電極化取向。我們前期的工作外加電場是在零磁場下進行的， 這時的NiFe等可能由于其多晶以及軟磁特性，各向異性小，因此對BiFeO3的影響就很小。 而我們施加一個大的磁場，就給了 NiFe很大的賽曼能，這樣通過界面交換耦合效應，就可 以對BiFeO3施加一個更大的作用，強迫在BiFeO3的鐵電極化翻轉時，反鐵磁疇的磁矩方向 盡可能沿著鐵磁層磁矩的方向。在外加電場撤去后，由于BiFeO3的磁晶各向異性，反鐵磁 疇的取向就不會再翻轉到其他取向，從而在BiFeO3層

5、中產(chǎn)生了一個擇優(yōu)的取向，這一取向沿著外加磁場的方向（也就是NiFe交換偏置場的取向），這樣我們就有可能觀測到交換偏置 場在電場翻轉BiFeO3的鐵電極化后增強的效應。另外，我們是否也可以嘗試外加磁場垂直于NiFe生長時磁場的方向，這時再外加電場改變 鐵電極化的方向，也許可以改變易軸的方向，本來垂直方向是難軸，現(xiàn)在成了易軸，本來是 易軸的，現(xiàn)在成了難軸，可以實現(xiàn)對各向異性的調控。實驗的具體過程，我們這邊先制備了了以LaNiO3作為緩沖層以及底電極，在其上生長了大 約400 nm的Bi09La0iFeO3薄膜（摻10%La的目的是為了改善其鐵電性質，同時保持其交換 偏置場的大小），然后何茂誠生長NiFe層和保護層，這一層既作為被釘扎的鐵磁層，同時又 作為頂電極，所以其尺寸要小于底下薄膜的尺寸，防止上下電極之間的短路。下面是側視 圖和俯視圖。在VSM上測量磁滯回線，先多次測量，數(shù)據(jù)要保存，一直到training效應非常小，或者幾乎 沒有，然后在外加磁場1T的條件下，加電壓（因為我們沒有脈沖電源，所以采用直流電源， 加上電壓，然后撤去電