【摘 要】
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基于多铁材料的磁电存储器具有非易失性、高运行速度、低功耗和高密度特点,兼具了动态RAM、磁盘存储和高速缓冲存储器的功能,是未来存储技术发展中的重点研究方向。近年来研究者们对该种磁电存储器的研究一直聚焦在磁电耦合效应与铁磁/反铁磁界面的交换偏置效应两个方向。在磁电耦合领域中,各类材料的磁电耦合强度都很难达到电控磁条件,一直发展缓慢。而铁磁/反铁磁界面的交换偏置效应则发展较快,自旋阀结构、磁性随机存储
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基于多铁材料的磁电存储器具有非易失性、高运行速度、低功耗和高密度特点,兼具了动态RAM、磁盘存储和高速缓冲存储器的功能,是未来存储技术发展中的重点研究方向。近年来研究者们对该种磁电存储器的研究一直聚焦在磁电耦合效应与铁磁/反铁磁界面的交换偏置效应两个方向。在磁电耦合领域中,各类材料的磁电耦合强度都很难达到电控磁条件,一直发展缓慢。而铁磁/反铁磁界面的交换偏置效应则发展较快,自旋阀结构、磁性随机存储器（MRAM）等均使用到了铁磁/反铁磁界面的交换偏置效应。许多人试图利用电控交换偏置来制造一种新型磁电存储器件,但受到材料体系性能影响,始终难以实现室温下的电控交换偏置。基于这点,本文的研究主要聚焦于基于多铁材料/铁磁材料的异质结上,以求在室温下实现电控交换偏置。本文主要研究了铁磁层/反铁磁层异质结的交换偏置效应和基于电阻变化的电控交换偏置。反铁磁层材料选择主要聚焦于多铁材料BiFeO3。BiFeO3材料铁电居里温度约为1103K,反铁磁奈尔温度约为643K,明显远高于室温。利用BiFeO3同时具备铁电性与反铁磁性的特点,通过电控极化来控制铁磁层/反铁磁层界面的交换偏置效应。此外,我们选择了反尖晶石型铁氧体MFe2O4（M=Co、Ni）作为铁磁材料,以此方式来试图提高铁磁层/BiFeO3异质结交换偏置效应的截止温度,实现室温下的交换偏置。该类反尖晶石型铁氧体MFe2O4（M=Co、Ni）具有相当高的居里温度,与BiFeO3的奈尔温度相近,在室温时具有优良的铁磁性,具有提高体系截止温度的极大潜力。主要研究内容如下:（1）本文通过溶胶凝胶法在带有Pt电极的SiO2衬底上旋涂制备了一层BiFeO3薄膜。且通过改变溶胶配比时Bi元素的含量,薄膜退火温度等条件,优化了BiFeO3薄膜的制备工艺,制备的BiFeO3薄膜物相结构较好,无其他杂质,结晶度高,晶粒尺寸为41nm;铁电性能较好饱和极化强度Ps为28.16μC/cm~2,剩余极化强度2Pr可达42.43μC/cm~2。且通过磁控溅射法制备了NiFe2O4和CoFe2O4薄膜,通过改变溅射时间,退火温度,退火时间等条件,优化了两种薄膜的制备工艺。（2）本文在低温3K下观察到CoFe2O4/BiFeO3和NiFe2O4/BiFeO3异质结均有较为明显的交换偏置现象。从测试的矫顽场和交换偏置场与温度的关系图上可以看出CoFe2O4/BiFeO3和NiFe2O4/BiFeO3异质结交换偏置与矫顽场均随着温度升高呈指数衰减,最终在交换偏置的截止温度时,交换偏置效应消失,而矫顽场也趋近于零。低温区中这种衰减较快,高温区中变化则相对平缓。且在室温下也观察到了CoFe2O4/BiFeO3和NiFe2O4/BiFeO3异质结也具有一定的交换偏置现象。（3）基于MFe2O4/BiFeO3（M=Ni,Co）异质结,通过研究异质结在一定磁场下,MFe2O4层电阻随极化电压的变化,来观测其电控交换偏置。利用电输运测试系统研究了MFe2O4/BiFeO3（M=Ni,Co）异质结的电控交换偏置性能。通过NiFe2O4/BiFeO3异质结实现了接近室温下的电控交换偏置,通过CoFe2O4/BiFeO3异质结实现了室温下的电控交换偏置。该种异质结依靠电场控制反铁磁层各向异性(KAFM)进而控制了异质结界面相互作用能(JAFM-FM)形成了高能JAFM-FM态和低能JAFM-FM态,实现了室温下可控、可逆的电控交换偏置。
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