单相室温多铁薄膜中磁-电-光耦合的实现

随着微电子与信息技术向大容量、低功耗、集成化、可调节方向发展，多序参量共存的多铁材料凭内部的磁电耦合效应有望解决自旋电子器件中高功耗和响应慢等应用问题。因此，构建新型磁电耦合方式对实现高密度、低能耗、高读写速率的器件具有重要意义，这也一直是材料科学以及凝聚态物理领域的热点之一。

近日，大湾区显微科学与技术研究中心的耿皖荣，唐云龙、朱银莲和马秀良等人在室温单相多铁BiFeO₃基薄膜中创造性实现了磁-电-光耦合行为。2022年6月22日，Advanced Materials期刊以“Magneto–electric–optical coupling in multiferroic BiFeO₃-based films”为题在线发表了该项研究成果。

研究小组利用压电力显微镜、磁力显微镜和球差校正透射电镜，研究了BiFeO₃基薄膜中畴组态的外场响应行为。研究发现405 nm的激光激励会诱导薄膜中特定铁电分量的定向、可逆的铁弹翻转行为（如图1），分析认为是光生电场和异质界面的对称性失配两方面协同作用的结果；另外，结合电场和激光两种激励可设计实现多种可逆的极化翻转途径（见图2）。以上现象适用于不同应变态下、不同畴组态的BiFeO₃基薄膜，如BiFe_0.8Co_0.2O₃薄膜，其中铁电极化的翻转伴随着铁磁畴组态的显著变化（见图3），进而在室温下成功在BiFeO₃基薄膜中实现了磁-电-光耦合行为。该项工作创造性地提供了一种实现多场驱动的磁电耦合的方法，对设计实现新型高性能电子器件具有重要意义。

该研究成果得到了广东省基础与应用基础研究区域联合基金-青年基金、国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目等多个项目的大力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202106396

图1：BiFeO₃薄膜中可逆的光致极化翻转行为。

图2：激光和电场共同作用下，BiFeO₃薄膜中可控的极化翻转途径。

图3： BiFeO₃基薄膜中的磁-电-光耦合现象。