电控磁实验说明

1、我们实验的目的是利用BiFeO3的 反铁磁性，与上面的铁磁层的界 面交换耦合作用，同时利用 BiFeO3的磁电耦合效应，这样我 们就可以通过加在BiFeO3层上的 电压，改变其铁电极化方向，通 过磁电耦合效应从而带动其反铁 磁畴的转动，再通过交换偏置效 应，带动被钉扎的铁磁层的磁矩 转动，实现外加电场对磁性的调 控。这是一种间接的调控效应， 电场（或者电压）是加在BiFeO3层上的，而能够被测量到的被调控的磁性是铁磁层的磁矩。如果再把这种电场调控的交换偏 置效应应用于自旋电子学器件，就可以实现外加电场对器件磁电阻等自旋相关的效应的调 控，而不需要通过外加磁场，从而极大的减小能耗，简化器件结构，

2、减小器件尺寸。BiFeO3是室温反铁磁铁电材料，它的铁电极化 方向沿着111方向，同时其反铁磁磁矩沿着与 111垂直的1-10方向螺旋，共有三个等效方 向。每个螺旋方向会在界面处与铁磁层磁矩耦 合，产生交换偏置场和矫顽力的增强。但是由 于存在这三个等价的方向，因而在空间如果完 全无序的情况下，就不会存在净的交换偏置场， 而只有矫顽力的增强，这也是很多文献报道的 结果。目前，外加电场调控BiFeO3的反铁磁畴， 从而带动铁磁层的磁矩转动的实验，大部分都 表明这种调控是不可逆的，也就是外加电场导致交换偏置场的减小，但是不论怎么加电场都 无法恢复交换偏置场的大小。我们初步认为这有可能是在电极化的翻转

3、过程中，铁磁层对反 铁磁层的反作用太微弱，导致三个等效方向没有差异，从而最终导致反铁磁畴的完全无序， 因为交换偏置场逐渐减小。由于无法实现某个方向的特殊性，从而无法使交换偏置场恢复。而BiFeO3与La07Sr03MnO3双层膜的电场控制交换偏置效应则是可逆的，在相关的文献中， 他们特别研究了剩磁的取向对电控交换偏置效应的影响，从这里也许我们可以推断，铁磁层 的磁取向通过交换耦合效应对BiFeO3的反铁磁畴取向施加了影响。但是La07Sr03MnO3的居 里点虽然高于室温，但是交换偏置效应的冻结温度则只有150K，远低于室温。如果要实际 应用，我们还是要实现电场对BiFeO3与NiFe等铁磁金

4、属交换偏置效应的可逆调控。从上面的结果我们可以初步设计一个实验，就是我们在外加磁场（尽可能大的磁场）的情况 下，外加电场改变BiFeO3的电极化取向。我们前期的工作外加电场是在零磁场下进行的， 这时的NiFe等可能由于其多晶以及软磁特性，各向异性小，因此对BiFeO3的影响就很小。 而我们施加一个大的磁场，就给了 NiFe很大的赛曼能，这样通过界面交换耦合效应，就可 以对BiFeO3施加一个更大的作用，强迫在BiFeO3的铁电极化翻转时，反铁磁畴的磁矩方向 尽可能沿着铁磁层磁矩的方向。在外加电场撤去后，由于BiFeO3的磁晶各向异性，反铁磁 畴的取向就不会再翻转到其他取向，从而在BiFeO3层

5、中产生了一个择优的取向，这一取向沿着外加磁场的方向（也就是NiFe交换偏置场的取向），这样我们就有可能观测到交换偏置 场在电场翻转BiFeO3的铁电极化后增强的效应。另外，我们是否也可以尝试外加磁场垂直于NiFe生长时磁场的方向，这时再外加电场改变 铁电极化的方向，也许可以改变易轴的方向，本来垂直方向是难轴，现在成了易轴，本来是 易轴的，现在成了难轴，可以实现对各向异性的调控。实验的具体过程，我们这边先制备了了以LaNiO3作为缓冲层以及底电极，在其上生长了大 约400 nm的Bi09La0iFeO3薄膜（掺10%La的目的是为了改善其铁电性质，同时保持其交换 偏置场的大小），然后何茂诚生长NiFe层和保护层，这一层既作为被钉扎的铁磁层，同时又 作为顶电极，所以其尺寸要小于底下薄膜的尺寸，防止上下电极之间的短路。下面是侧视 图和俯视图。在VSM上测量磁滞回线，先多次测量，数据要保存，一直到training效应非常小，或者几乎 没有，然后在外加磁场1T的条件下，加电压（因为我们没有脉冲电源，所以采用直流电源， 加上电压，然后撤去电