多铁异质结薄膜中的磁电耦合效应的研究

Magnetoelectric effects have been studied since long time ago driven by the technological aspirations. For artificial multiferroic thin films that combine ferroelectric and ferromagnetic constituents in heterostructures, the magnetoelectric coupling effect is governed by the interface properties. Here we propose to use various advanced aberration corrected microscopy and spectroscopy to study the interface properties and dynamic correction between the ferroelectric/ferroeleastic and ferromagnetic domains switching in Co0.9Fe0.1/BiFeO3, La0.7Sr0.3MnO3/BiFeO3, La0.8Sr0.2MnO3/PbZr0.2Ti0.8O3 thin films to gain insights into magnetoelectric effects in multiferroic thin film heterostructures. Specifically, (1) applying atomic resolution imaging to characterize the atomic structure and quantitatively measure the octahedral distortion; (2) applying differential phase contrast imaging and aberration corrected Lorentz imaging to measure the localized electrical and magnetic fields; (3) employing the ultra high energy resolution electron energy loss spectroscopy （8 meV energy resolution）such as vibrational spectroscopy, fines structures of core-loss spectroscopy, and electron magnetic circular dichroism to reveal the phonon structure, electronic structure, spin and spin-orbital interaction at the interface. Moreover, (4) by applying in situ electric fields (and/or stress) to switch the ferroelectric and ferroelastic domains, we simultaneously observe/measure the changes in magnetic properties, such as magnetic domain nucleation, domain wall propagation, defect pining to domain wall, and domain wall stability. These studies should greatly advance our understanding of the magnetoelectric effects in multiferroic thin films and thereby providing useful information for interface engineering.

磁电耦合效应在数据存取、传感器、自旋电子器件方面具有巨大的应用前景。对于多铁异质结薄膜材料，研究其界面的结构和物性，以及外场下铁电、铁弹、铁磁畴在动力学上的关联，是我们理解磁电耦合效应机理的关键，也是我们改善磁电耦合器件性能和设计新功能器件的前提。.本项目拟在北京大学新购置的两台球差矫正电镜的基础上研究多铁异质结薄膜。基于超高能量分辨的Nion-HERMES仪器（8meV分辨率）上的电子能量损失振动谱、带边精细结构谱、磁圆二向色性谱，和双球差矫正FEI-Themis的微分相位衬度成像（原子分辨率）、球差矫正的传统洛伦兹成像（2nm分辨率），并结合原位外场翻转铁电、铁弹畴等来研究多铁薄膜异质结中的界面物理、磁电耦合效应的动力学过程。通过探索多铁异质结中的磁电耦合的机制，提出增强磁电耦合效应的关键因素，为提高器件性能和设计新功能器件提供依据。

过渡金属氧化物异质结中晶格、自旋、电荷等自由度之间的相互作用为磁序和电序耦合提供了可能，可以实现电场调控磁性，为开发多功能器件并降低能量损耗提供了广阔的平台。异质结的磁、电性能和其内部的畴结构以及原子结构息息相关，为了全面理解磁电耦合的机制，提高磁电耦合效率，深入研究多铁异质结微观结构，并实现对材料微观结构的调控至关重要。.本项目基于先进透射电子显微镜的多种成像和谱学方法，系统研究了异质结界面、畴和畴壁、晶界等微观结构，搭建了原位电学测试系统和原位力学测试系统，实现了对畴和畴壁的外场调控。首先，利用高空间分辨率的球差矫正电镜并结合图像定量化分析技术，研究了多个铁电、铁磁、多铁异质结中的微观结构，定量分析了异质结界面、点缺陷、铁弹畴和畴壁、拓扑畴和晶界的原子结构。然后，基于原位电学和原位力学测试系统，实现了外电场和应力作用下的铁弹畴的可逆转变，并揭示了转变的原子尺度机理。可逆的铁弹畴转变导致局部应力的变化，为实现局部的磁电耦合提供了途径。我们也从原子尺度研究应力和电场调控的极化拓扑结构演变过程。另外，我们探究了基于电子能量损失谱（EELS）技术的振动谱技术和纳米分辨的磁圆二向色性谱技术，揭示了材料界面和表面的晶格、电荷、轨道、自旋等相互作用，为多铁异质结的研究提供更多的方法手段。通过在原子尺度定量地研究异质结的界面、畴、晶界等微观结构与物性测量，并实现微观结构的外场调控，我们将材料的结构和性能联系起来，为设计更高效的磁电耦合器件提供了实验依据。

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