柔性磁性薄膜的制备与物性调控
摘 要：近年来，柔性材料在实际应用中拥有着巨大潜力，因此受到了广泛的关注。为了将自旋电子学引入柔性器件领域，我们证明了在柔性磁性薄膜上生长外延Fe3O4薄膜是可行的，该薄膜是成为了我们研究自旋电子器件的理想候选材料。并且Fe3O4的Verwey相变蕴涵的丰富物理现象与微观机制, 成为了研究者们热衷的研究对象。本实验将柔性磁性薄膜上的Fe3O4与其Verwey相变的特征相连，利用柔性薄膜可弯曲、延展性好的特点，去研究曲率对Fe3O4的Verwey相变的影响以及其它磁特性；并且还通过制备不同厚度的Fe3O4薄膜进一步探究其Verwey相变的特点。
关键词：柔性材料； Fe3O4薄膜； Verwey相变； 自旋电子器件
一、文献综述
1.引言
作为典型的金属–绝缘体转变, Fe3O4的Verwey相变蕴涵的丰富物理现象与微观机制, 因而受到了人们的广泛关注. 在Verwey相变处,Fe3O4的晶体结构、电子结构以及磁各向异性等均发生转变, 但其磁基态并未发生改变. 与其他强关联体系相比, Fe3O4的Verwey相变不需要考虑磁交换耦合作用的变化, 有利于揭示强关联体系中金属–绝缘体转变的物理本质.随着研究的不断深入, 天然Fe3O4单晶中杂质和缺陷的作用不能被忽略, 人们开始对合成Fe3O4单晶或多晶样品进行研究, 并更加关注Fe3O4的相变过程, 包括相变为一步或多步、一阶或高阶反应动力学, 低温相变后的晶格结构以及电荷有序的分布情况. 在早期的比热研究中, 人们对于Fe3O4中存在一个还是多个相变过程存在争议. 因此, 这一问题在二十世纪七、八十年代被广泛地讨论. 最终, Matsui等证实Fe3O4仅在125 K附近存在相变, 多个相变的出现是由于样品质量以及退火过程中引入的应力导致的。
2.国内外研究发展及现状
2.1研究发展历程
2009年, Alexe等采用脉冲激光沉积和磁控溅射方法制备了Pd/Fe3O4/Nd:SrTiO3(001)异质结构, 在低温下研究了Fe3O4的铁电性. 40 K以上, 由于Fe3O4电阻率较小, 测量时出现漏电. 40 K以下, Fe3O4逐渐表现出铁电性, 外加电场可以翻转Fe3O4的铁电极化, 如图1(a)所示. 20 K以下, Fe3O4铁电极化达到饱和, (001)方向的铁电极约为5.7 mu;C/cm2. Yamauchi等通过第一性原理计算研究了低温相Fe3O4的自发铁电极化. 对称性分析表明P2/c空间群具有中心反演对称性, 因而具有顺电性(paraelectricity, PE). Cc空间群为非中心反演对称群, 因此在Cc空间群下Fe3O4具有铁电性(ferroelectricity, FE), 由于Cc空间群在b轴方向具有镜面对称性, 在b轴方向不具有电极化性质, 只在a, c轴方向上存在有限的极化矢量P, 如图1(b)所示. 与Jeng等报道的结果一致, 顺电相中的电荷有序为纯3∶1模式, 铁电相中为75%(3∶1) 25%(2∶2), 这两种电荷有序模型的区别可以理解为FeB12, FeB14和FeB12rsquo;, FeB14rsquo;互相发生了交换. 为了进一步研究铁电性, Yamauchi等通过比较Berry相方法计算的极化矢量PBerry和点电荷模型(point charge model, PCM)得出的极化矢量PPCM, 发现P是由电荷有序的重新排列引起的, 因此Fe3O4是一种由电荷有序导致的具有较强电极化的多铁性材料。
图1 (a) Pd/Fe3O4/Nd:SrTiO3异质结构的电滞回线； (b) P2/c (左图)和Cc空间群(右图)的FeB离子结构. 橙色和蓝色球表示Fe2 和Fe3 . 红色箭头表示电荷转移引起的电偶极矩
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