掺铈钇铁石榴石薄膜磁光性能的电调控机理研究

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目前,可重构磁光器件如光学环行器的可调功能是通过大电流驱动电磁铁产生磁场实现。大电流产生的焦耳热增加了器件能耗。利用电场调控磁光效应可显著减小电流继而降低能耗。本论文主要研究了两种新材料体系中的磁光效应电场调控。第一项研究是电场调控La0.5Sr0.5CoO3/CeY2Fe5O12异质结的光学和磁光性能。在室温下,我们利用电场实现了此异质结的反射率的可逆调控。从CeY2Fe5O12指向La0.5Sr0.5CoO3的电场使异质结界面附近的La0.5Sr0.5CoO3中的电子浓度增大,继而使其光学常数发生变化,导致器件反射率上升;翻转电场方向,界面附近的La0.5Sr0.5CoO3中的电子浓度降低,使其光学常数逆向变化,导致器件反射率下降。因此,通过翻转大小为5 V的器件端电压的极性,La0.5Sr0.5CoO3/CeY2Fe5O12反射率的调制幅度达0.12%。理论上,磁光克尔效应随反射率变化而变化。但由于磁光克尔效应的变化小以至于超出了测试仪器的检测极限,未能在实验上测出该变化。基于La0.5Sr0.5CoO3/CeY2Fe5O12氧化物异质结的反射率电场调控方法有助于发展可重构光子器件。电场调控Au/TiOx/CeY2Fe5O12多层结构的磁光克尔效应是第二项研究的焦点。我们系统研究了在电场作用下,此结构的反射率、磁光克尔效应与电阻的变化。另外,分析了薄膜厚度与CeY2Fe5O12含氧量对这些性能的影响。大小为1.5 V的电压使635 nm波长处的饱和磁光克尔旋转角变化幅度达3.31 mdeg,相对于初始状态的变化率为15.1%,对应的能耗为0.66 nJ/μm2,响应时间为300 s。该调控具有可逆性与非易失性。此外,器件工作在室温,具有全固态结构。电子能量损失谱测试阐明了性能变化背后的结构机理。通过电场驱动TiOx中的Ti离子迁移,TiOx的含量分布发生改变,调控了Ti Ox层的折射率。因此,器件的反射率和模场分布得到调控,从而调控了磁光克尔效应。这种基于模场分布变化的电控磁光效应方法具有普适性,可调控多种结构的磁光性能。本研究为设计和制备可重构磁光器件提供了新途径。
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