稀土发光铁电薄膜的研究进展

稀土掺杂是提高光电功能材料性能的重要途径.把稀土掺杂铁电材料与稀土发光相结合,还可拓展出铁电材料的新性能,比如,选择合适的稀土元素掺入钛酸铋铁电材料,可使之在保持较好的铁电性能的同时,又显示良好的发光性能.近年来,这类在氧化物铁电材料中由于稀土离子掺杂产生光致发光特性的研究引起了人们的关注,有望研制集成发光铁电器件.本文简要介绍了稀土发光铁电材料的研究状况,重点介绍我们在稀土发光铁电薄膜方向的研究进展.我们的研究表明,稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜同时具有较好的发光特性和铁电特性,这与其独特的成分构成和层状钙钛矿结构密切相关; Eu3+离子荧光结构探针可以为进一步研究Eu~(3+)掺杂铁电薄膜材料的结构与性能关系提供新思路;在某些铁电薄膜(如Pr离子掺杂的x(K_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3-(1-x)(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3薄膜等)中掺入稀土离子后,稀土离子的发光可用于检测铁电薄膜中是否存在准同型相界;将ZnO纳米材料和金、银纳米颗粒与掺铕钛酸铋薄膜复合,可显著增强稀土发光.     

自支撑多铁性薄膜材料研究的机遇与挑战

多铁性材料兼具铁电、铁磁等两种或两种以上铁性有序,并且通过不同铁性之间的多物理场耦合实现新奇磁电效应,在信息存储、换能、传感等方面具有广阔的应用前景。当前,在基础及应用研究方面仍存在许多亟待解决的科学技术问题,譬如寻找及制备室温以上具有强磁电耦合效应的多铁性材料,以及解决与半导体的器件集成问题等,而近年来迅速发展的自支撑薄膜制备技术为此提供了新的机遇。与块体材料及束缚在刚性衬底上的外延薄膜相比,自支撑薄膜具有极为优异的晶格调控自由度,可获得前所未有的极端一维、二维应变(应变梯度),并能够实现人工异质结的构建与器件集成等,为多铁性材料的研究提供了新的材料体系和契机。文章围绕自支撑钙钛矿氧化物(多)铁性材料及人工异质结,总结了最近的重要研究进展,并尝试初步探讨该方向未来可能面临的机遇与挑战。     

钴氧化物中晶格与自旋的关联耦合效应研究

强关联电子体系具有多序参量耦合且极易受到外场高效调控的特性.钴氧化物(LaCoO₃)是一类典型的多铁性(兼具铁弹性和铁磁性)氧化物材料,受到了研究者们广泛和深入的研究.过去,针对钴氧化物的研究都集中于应力作用下的铁弹性相变和结构调控方面.近年来,研究人员新奇地发现钴氧化物薄膜在张应力作用下发生顺磁到铁磁相转变,但其根源一直存在较大争议.部分实验证据表明应力将会导致钴离子价态降低产生自旋态转变,而另一些研究者认为应力诱导的纳米畴结构会呈现高自旋态的长程有序排列,才是钴氧化物薄膜铁磁性的主要原因.本综述主要介绍近几年来钴氧化物薄膜和异质结中自旋与晶格之间关联耦合效应的系列进展.在保持钴离子价态不变时,通过薄膜厚度、晶格失配应力、晶体对称性、表面形貌、界面氧离子配位和氧八面体倾转等结构因素诱导钴氧化物薄膜的自旋态可逆转变,从而形成高度可调的宏观磁性.进而,研究者们利用原子级精度可控的薄膜生长技术构筑了单原胞层钴氧化物超晶格,通过高效的结构调控,实现了超薄二维磁性氧化物材料.这些系列进展不仅澄清了强关联电子体系中晶格与自旋等序参量之间的强耦合关系,而且为实现氧化物自旋电子...     

软x射线磁性圆二色吸收谱研究铁单晶薄膜的面内磁各向异性

利用软x射线磁性圆二色(XMCD)吸收谱测得Fe/MgO膜不同磁化方向的轨道磁矩和自旋磁矩.实 验表明，沿铁单晶薄膜的不同方向，铁原子轨道磁矩的改变量达到600%以上，而自旋磁矩的 变化约50%，但原子的总磁矩没有如此大的改变.结合常规方法分析了铁薄膜的宏观磁各向异 性性质，半定量地获得磁矩与宏观各向异性能的关系，并对样品的磁矩和磁各向异性能进行 了比较. 关键词： x射线磁性圆二色 磁各向异性 磁性薄膜     

Pr含量对Bi_5Fe_(0.5)Co_(0.5)Ti_3O_(15)室温多铁性的影响

采用改良的固相烧结工艺制备了Bi5-xPrxFe0.5Co0.5Ti3O15(BPFCT-x,x=0.25,0.50,0.75,0.80)陶瓷样品.X射线衍射结构分析表明:镨(Pr)含量对样品微观结构产生了影响,但所有样品均为层状钙钛矿结构;BPFCT-x样品的剩余极化强度(2Pr)随着掺杂量的增加呈现出先增大后减小的变化趋势,当Pr含量为0.75时,样品的2Pr达到最大值,为6.43μC/cm2.样品的磁性与铁电性能具有相同的变化规律,室温下样品的剩余磁化强度(2Mr)也呈现出先增大后减小的趋势,并且也在x=0.75时达到最大为0.097 emu/g.随着Pr掺杂量增大,样品的室温下铁电和铁磁性能得到明显改善,并且当掺杂量为0.75时,样品室温多铁性最好.Pr掺杂降低了样品中的缺陷浓度,从而提高了样品铁电畴动性,这有助于提高样品铁电性能.而样品铁磁性能的改善可能与Pr对样品晶格畸变产生的影响有关.     

磁致多铁性物理与新材料设计

磁致多铁材料是多铁性材料大家族中的后起之秀,其特色在于其铁电性起源于特定的磁序,因此其铁电性与磁性紧密关联,具有本征的强磁电耦合效应。目前对磁致多铁性的研究以基础物理为主。随着对磁致多铁现象背后物理机制认识的不断深入,不断有新的磁致多铁材料被设计、预言和发现,其性能也在不断地提高。文章简要介绍了磁致多铁材料所涉及的基本物理机制,并根据这些已知的规律,回顾了近年来寻找和设计新的磁致多铁材料的经验。     

基于PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3压电单晶的磁电复合薄膜材料研究进展

电子信息技术的迅速发展对磁电功能器件的微型化、智能化、多功能化以及灵敏度、可靠性、低功耗等都提出了更高的需求,传统的块体磁电功能材料已日渐不能满足上述需求,而层状磁电复合薄膜材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电耦合等多种特性,因此能满足上述需求且有望应用于新一代磁电功能器件.层状磁电复合材料不仅具有非常丰富的物理现象和效应,而且在弱磁探测器、多态存储器、电写磁读存储器、电场可调低功耗滤波器、移相器、天线等微波器件中也具有广阔的应用前景,因而受到材料科学家和物理学家广泛的关注和研究.在层状磁电复合材料中,功能薄膜/铁电单晶异质结因其制备简单、结构设计和材料选择灵活以及电场调控方便和有效,最近十余年引起了越来越多的研究人员的兴趣.目前,以具有优异铁电和压电性能的(1-x)PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3(PMN-PT)单晶作为衬底,构建功能薄膜/PMN-PT异质结已成为国内外多铁性复合薄膜材料研究领域的重要方向之一.相比于其他国家,我国科学家无论在发表的文章数量还是在文章被引用次数方面都处于领先地位,表明我国在功能薄膜/PMN-PT单晶异质结方面的研究卓有成效.迄今为止,研究人员已构建了锰氧化合物/PMN-PT、铁氧体/PMN-PT、铁磁金属/PMN-PT、稀磁半导体/PMN-PT、发光材料/PMN-PT、二维材料/PMN-PT、多层薄膜/PMN-PT、超导薄膜/PMN-PT等多种类型的异质结,在理论研究和实验方面都取得了丰富的研究成果.本文对基于PMN-PT压电单晶的磁电复合薄膜材料的研究进展进行了总结:简要介绍了与功能薄膜/PMN-PT异质结相关的研究论文发表现状;介绍了PMN-PT单晶在准同型相界附近的相图和应变特性;按照功能薄膜材料所属的体系对异质结进行了分类,并选取部分代表性的研究成果,介绍了材料的磁电性能和内涵的物理机制;最后就目前有待解决的问题和未来可能的应用方向进行了总结和展望.     

钙钛矿锰氧化物的磁相变临界行为及磁热效应研究进展

钙钛矿锰氧化物具备磁热效应高、性能稳定可控、成本低廉等显著优点,是适用于室温磁制冷领域的优质候选工质材料之一.但该体系内部电磁学性质复杂,特别是关于铁磁相互作用机制和磁相变性质等关键科学问题仍然有待深入探索.分析磁相变临界行为有利于揭示磁性材料内部的铁磁相互作用距离和机制等重要信息.本文简要介绍了钙钛矿锰氧化物相关理论背景以及各种磁相变临界行为分析方法,随后归纳了近年来多种钙钛矿锰氧化物的磁相变临界行为研究,系统对比了不同带宽典型锰氧化物在单晶和多晶形态下的磁相变临界行为,讨论了 A/B位掺杂不同元素以及不同制备工艺条件对其临界参数的影响,对其中渡越于一级和二级相变的La-Ca-Mn-O体系在不同磁场范围下的临界参数演化进行了讨论.最后对处于磁相变三重临界点附近的部分锰氧化物材料的磁热效应研究进行了总结和展望.     

结构相变对Fe掺杂TiO2薄膜室温铁磁性的影响

采用直流磁控溅射方法在玻璃基底上制备了不同Fe掺杂浓度的TiO₂薄膜, 并对其晶体结构和磁特性进行了研究.在所有掺杂样品中,均观察到了室温铁磁性, 磁性源于Fe离子与其近邻空间分布的空穴相互作用. 在掺杂量为7%的锐钛矿相薄膜中观察到了最大的磁化强度. 随着Fe掺杂浓度的进一步增加, TiO₂的晶体结构逐渐由锐钛矿相向金红石相转变,并且磁性减弱. 不同结构的TiO₂中Ti–O键长不同,导致替代的磁性Fe离子与空穴的作用强度发生改变, 进而使其磁性发生变化. 关键词： 稀磁半导体 结构相变 铁磁性     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

A possible origin of room temperature ferromagnetism in Indium-Tin oxide thin film: Surface spin polarization and ferromagnetism

Room temperature ferromagnetism in both transition-metals doped and undoped semiconductor thin films and nanostructures challenges our understanding of the magnetism in solids. In this report, we performed the magnetic measurement and Andreev reflection spectroscopy study on undoped Indium-Tin oxide (ITO) thin films and bulk samples. The magnetic measurement results of thin films show that the total magnetization/cm² is thickness independent. Prominent ferromagnetism signal was also discovered in bulk samples. Spin polarized electron transports were probed on ITO thin film/superconductor interface and bulk samples surface/superconductor interface. Based on the magnetic measurement results and spin polarization measurement data, we propose that the ferromagnetism in this material originates from the surface spin polarization and this surface polarization may also explain the room temperature ferromagnetism discovered in other undoped oxide semiconductor thin films and nanostructures.     

Multiferroicity induced by dislocated spin-density waves

We uncover a new pathway towards multiferroicity, showing how magnetism can drive ferroelectricity without relying on inversion symmetry breaking of the magnetic ordering. Our free-energy analysis demonstrates that any commensurate spin-density-wave ordering with a phase dislocation, even if it is collinear, gives rise to an electric polarization. Because of the dislocation, the electronic and magnetic inversion centers do not coincide, which turns out to be a sufficient condition for multiferroic coupling. The novel mechanism explains the formation of multiferroic phases at the magnetic commensurability transitions, such as the ones observed in YMn(2)O(5) and related compounds. We predict that in these multiferroics an oscillating electrical polarization is concomitant with the uniform polarization. On the basis of our theory, we put forward new types of magnetic materials that are potentially ferroelectric.     

Multiferroic materials and magnetoelectric physics: symmetry,entanglement, excitation,and topology

Multiferroics are those materials with more than one ferroic order, and magnetoelectricity refers to the mutual coupling between magnetism (spins and/or magnetic field) and electricity (electric dipoles and/or electric field). In spite of the long research history in the whole twentieth century, the discipline of multiferroicity has never been so highly active as that in the first decade of the twenty-first century, and it has become one of the hottest disciplines of condensed matter physics and materials science. A series of milestones and steady progress in the past decade have enabled our understanding of multiferroic physics substantially comprehensive and profound, which is further pushing forward the research frontier of this exciting area. The availability of more multiferroic materials and improved magnetoelectric performance are approaching to make the applications within reach. While seminal review articles covering the major progress before 2010 are available, an updated review addressing the new achievements since that time becomes imperative. In this review, following a concise outline of the basic knowledge of multiferroicity and magnetoelectricity, we summarize the important research activities on multiferroics, especially magnetoelectricity and related physics in the last six years. We consider not only single-phase multiferroics but also multiferroic heterostructures. We address the physical mechanisms regarding magnetoelectric coupling so that the backbone of this divergent discipline can be highlighted. A series of issues on lattice symmetry, magnetic ordering, ferroelectricity generation, electromagnon excitations, multiferroic domain structure and domain wall dynamics, and interfacial coupling in multiferroic heterostructures, will be revisited in an updated framework of physics. In addition, several emergent phenomena and related physics, including magnetic skyrmions and generic topological structures associated with magnetoelectricity will be discussed. The review is ended with a set of prospectives and forward-looking conclusions, which may inevitably reflect the authors' biased opinions but are certainly critical.     

多铁异质结构中逆磁电耦合效应的研究进展

电场调控磁性能够有效降低功耗,在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径,其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.7)Ti_(0.3)O_3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控;之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径;然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果;最后在此基础上,对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.     

Advances in ab-initio theory of multiferroics

Within the broad class of multiferroics (compounds showing a coexistence of magnetism and ferroelectricity), we focus on the subclass of ??improper electronic ferroelectrics??, i.e. correlated materials where electronic degrees of freedom (such as spin, charge or orbital) drive ferroelectricity. In particular, in spin-induced ferroelectrics, there is not only a coexistence of the two intriguing magnetic and dipolar orders; rather, there is such an intimate link that one drives the other, suggesting a giant magnetoelectric coupling. Via first-principles approaches based on density functional theory, we review the microscopic mechanisms at the basis of multiferroicity in several compounds, ranging from transition metal oxides to organic multiferroics to organic-inorganic hybrids.     

激发态电荷转移有机体的多铁性研究

随着人们对多铁性的深入了解,越来越多不同类型的有机多铁材料被合成出来.激发态电荷转移有机体的电荷转移网络是由一个提供电子的分子(给体donor,D~+)和一个接受电子的分子(受体acceptor,A~-)有序排列后构成的.D~+A~-长程有序排列,其激发态(激子)具有较长寿命和±1/2自旋,这是产生室温铁电性和铁磁性的根本原因.激发态容易受外场刺激,因此光照、磁场、电场、应力等能够很好地调控这类材料的铁电极化、磁矩和相应的磁电耦合系数.激发态电荷转移有机体不仅大大丰富了室温多铁材料体系,而且可以为开发新型多功能电子器件提供材料基础和技术储备.     

Structural and magnetic properties of bulk and thin films of Mg0.95Mn0.05Fe2O4

We present here a comparative study on structural and magnetic properties of bulk and thin films of Mg_0.95Mn_0.05Fe₂O₄ ferrite deposited on two different substrates using X-ray diffraction (XRD) and dc magnetization measurements. XRD pattern indicates that the bulk sample and their thin films exhibit a polycrystalline single phase cubic spinel structure. It is found that the film deposited on indium tin oxide coated glass (ITO) substrate has smaller grain size than the film deposited on platinum coated silicon (Pt–Si) substrate. Study of magnetization hysteresis loop measurements infer that the bulk sample of Mg_0.95Mn_0.05Fe₂O₄ and its thin film deposited on Pt–Si substrate shows a well-defined hysteresis loop at room temperature, which reflects its ferrimagnetic behavior. However, the film deposited on ITO does not show any hysteresis, which reflects its superparamagnetic behavior at room temperature.     

退火氛围对掺杂ZnO薄膜磁性的影响

采用直流磁控反应共溅法制备了非磁性元素Al和磁性元素Co掺杂的ZnO薄膜, 样品原位真空退火后再空气退火处理. 利用X射线衍射仪(XRD) 和物理性能测量仪(PPMS) 对薄膜的结构和磁性进行了表征. XRD和PPMS结果表明, 不同的退火氛围对掺杂薄膜的结构和磁性有着很大的影响. 真空退火的Al掺杂ZnO薄膜没有观察到铁磁性, 而空气退火的样品却显示出明显的室温铁磁性, 铁磁性的来源与空气退火后导致Al和ZnO基体间电荷转移增强有关. 而对于Co掺杂ZnO薄膜, 真空退火后再空气退火, 室温铁磁性明显减弱. 其磁性变化与Co离子和ZnO基体间电荷转移导致磁性增强和间隙Co原子被氧化导致磁性减弱有关.     

探索基于人工超晶格LaFeO3-YMnO3和自然超晶格n-LaFeO3-Bi4Ti3O12薄膜多铁性

基于纳米尺寸下复合铁电材料和反铁磁性材料是一个探索多铁性材料有效的方法. 利用激光脉冲沉积制备出LaFeO₃-YMnO₃人工超晶格和掺入不同层LaFeO₃, BiFeO₃的Bi₄Ti₃O₁₂的外延薄膜. 通过系统的X射线衍射、透射电子显微术、扫描透射电子显微术下的能量损失谱表征证明这些样品具有原子尺寸上清晰的界面和完整的层状结构. 磁性测试证明这些材料具有亚铁磁性. 特别是在0.5和1.5LaFeO₃-Bi₄Ti₃O₁₂中的亚铁磁性甚至能保持到室温. 就铁电性而言, 铁电性测试显示出LaFeO₃-YMnO₃和插入BiFeO₃的Bi₄Ti₃O₁₂样品中存在较大的漏电流, 而在0.5LaFeO₃-Bi₄Ti₃O₁₂样品中存在铁电性. 因此在0.5LaFeO₃-Bi₄Ti₃O₁₂中能够实现亚铁磁和铁电共存. 其次发现当掺入多层的钙钛矿(3层SrTiO₃或2.5层LaFeO₃)后, Bi₄Ti₃O₁₂ 的层状结构将出现结构失稳现象. 这些工作对于利用纳米复合开发新颖多铁性提供一些实例.     

Magnetic properties in zinc-blende CdS induced by Cd vacancies

The magnetic property induced by neutral Cd and S vacancies in CdS bulk and thin film are investigated, using first principles simulation. For bulk CdS, the magnetism originates from Cd, instead of S, vacancies. The ferromagnetism with a Curie temperature above room temperature can be expected. For CdS thin film, both Cd and S vacancies does not yield any magnetism at the (111) surface, while local magnetic moments at the outermost S plane of the (001) surface is ascribed to the surface effect. The ferromagnetism at S-terminated (001) surface can account for the experimental observation.