哈工大（深圳）宣（材料科学与工程学院供稿）校区材料科学与工程学院、材料基因工程与大数据研究院教授陈祖煌课题组与美国、德国多所高校及公司的课题组合作，在多铁BiFeO3薄膜的应变调控以及磁电耦合机制的研究中取得新进展。9月21日，该研究成果以研究论文形式发表于“Nature”旗下综合类子刊“Nature Communications”上，论文题目为“Complex strain evolution of polar and magnetic order in multiferroic BiFeO3 thin films”(Chen et al., Nature Commun. DOI: 10.1038/s41467-018-06190-5)。陈祖煌为论文第一作者和通讯作者，校区为第一完成单位和通讯单位，研究工作得到了校区科研启动基金、美国能源部、英特尔公司、Gordon and Betty Moore基金会的资助。
 

    随着摩尔定律逐渐逼近，功耗已成为制约信息技术发展的主要瓶颈，而传统半导体工艺技术将要达到理论预计的物理极限，难以进一步降低存储芯片的功耗。如何降低存储芯片的功耗是学术与商业研发的重点。铁电/多铁存储器兼具DRAM的高速读写优势和闪存的非易失性；其中多铁存储器因其磁电耦合特性可用电场调控磁性，有效降低功耗，并有助于器件小型化和多功能化，为后摩尔时代电子技术的发展提供一个新的方向。BiFeO3 (BFO)是少有的室温多铁材料，可在室温实现电写磁读从而大幅降低器件功耗，对基础研究和实际应用都有重要价值。BFO反铁磁序研究是理解磁电耦合效应和实现电场控制磁性能的前提，然而实验观测反铁磁自旋结构的手段有限，另外薄膜中多个铁电畴的存在进一步使其分析更为困难，因此BFO薄膜反铁磁结构以及其应变调控的物理机制一直还有争议。
 

    该课题利用脉冲激光沉积技术在不同单晶衬底上制备了高质量（110）取向BFO外延薄膜，通过控制薄膜工艺在（110）取向的薄膜得到单畴BFO，利用能量、偏振和角度分辨的同步辐射软X射线磁线二色吸收谱技术确定不同应变下薄膜的反铁磁自旋结构(图1)。研究发现外延应变可有效调控反铁磁自旋的朝向，并可进一步调控耦合铁磁层Co0.9Fe0.1的磁各向异性；结合第一性原理计算发现应变对反铁磁特性的调控是由Dzyaloshinskii -Moriya相互作用和单离子各向异性间相互竞争导致；进一步对薄膜的铁电极化表征发现拉应变可破坏极化与反铁磁自旋的垂直耦合关系（图2）。该工作纠正了之前普遍认为的BFO薄膜反铁磁序仅由Dzyaloshinskii -Moriya相互作用决定，即薄膜中反铁磁自旋必须与铁电化相垂直的观点。研究揭示了BFO薄膜磁各向异性和磁电耦合效应的微观机制，有力推动了其在新一代低功耗存储器和逻辑芯片的实际应用。因在BFO的原创性研究，陈祖煌获邀在中国材料大会2018做邀请报告。
 

    此外，陈祖煌还与印度理工学院、美国加州大学伯克利分校、加州大学圣巴巴拉分校、伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）和康奈尔大学等合作，在氧化物La0.7Sr0.3MnO3/LaCoO3异质结界面取得新进展，研究发现外延应变和界面氧八面体旋转耦合可以诱导异质结磁性增强和交换偏置。9月20日，该成果以研究论文形式发表于 “Applied Physics Letters”上，论文题目为“Structural and magnetic properties of La0.7Sr0.3MnO3/LaCoO3 heterostructures”。陈祖煌为该论文第一通讯作者，该项研究工作也得到了校区科研启动基金的资助。
 

【论文链接】

Complex strain evolution of polar and magnetic order in multiferroic BiFeO3 thin films：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06190-5

Structural and magnetic properties of La0.7Sr0.3MnO3/LaCoO3 heterostructures：

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5045359

图1：高质量（110）取向BFO单畴外延薄膜和Co0.9Fe0.1/BFO异质结

图2：应变调控BFO薄膜反铁磁序