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二维铁磁Fe3GeTe2/铁电PMN-PT异质结的电、磁性能调控及机理研究

批准号:
12104128
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
徐萌
依托单位:
学科分类:
铁电与多铁体系
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐萌

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
基于二维铁磁材料的磁电耦合异质结可同时利用电子的电荷和自旋属性,在下一代磁传感器、磁存储器、自旋电子学器件等领域具有广阔的应用前景。目前,此类磁电耦合异质结仍有不少关键科学问题尚未解决,例如二维铁磁材料的载流子浓度、能带结构与电、磁性能之间的耦合机制尚不明确,载流子浓度变化如何调控磁畴,常用的栅极材料对二维铁磁材料物性的调控幅度有限且具有易失性等。针对上述问题,本项目将结合二维铁磁材料Fe3GeTe2(原子级厚度、居里温度高)和铁电单晶PMN-PT(室温非易失、强调控)的优势,构建二维铁磁Fe3GeTe2 (FGT)/铁电PMN-PT异质结,并研究电场诱导的PMN-PT铁电畴翻转和铁电极化电荷对FGT载流子浓度、磁畴结构、电输运和磁性能的调控规律,阐明磁电耦合效应和二维铁磁的内在物理机制,实现电场对FGT电、磁性能的非易失调控,为构建基于二维磁性材料的非易失电子器件提供物理基础。
英文摘要
Magnetoelectric coupling heterostructures based on two-dimensional ferromagnetic materials can utilize the charge and spin properties of electrons at the same time, and have broad application prospects in the next generation of magnetic sensors, magnetic memories, spin electronic devices and so on. At present, there are still many critical problems for this kind of magnetoelectric coupling heterostructure, such as the ambiguous coupling mechanism between the carrier concentration, band structure and the electronic and magnetic properties of two-dimensional ferromagnets, the regulation effect of the carrier concentration on magnetic domains, the limited and volatile control of common gate materials on the physical properties of two-dimensional ferromagnetic materials. In view of the above problems, this project proposes to combine the advantages of two-dimensional ferromagnet Fe3GeTe2 (atomic thickness, high Curie temperature) and ferroelectric single crystal PMN-PT (non-volatility, strong regulation), to construct the two-dimensional ferromagnetic Fe3GeTe2 (FGT)/ ferroelectric PMN-PT heterostructure. Based on this, the project plans to study the regulation mechanism of electric-field-induced ferroelectric domain inversion and ferroelectric polarization charges of the PMN-PT on the carrier concentration, magnetic domain structure, electric transport and magnetic properties of the Fe3GeTe2 (FGT), and summarizes the internal physical mechanism of the magnetoelectric coupling effect and two-dimensional ferromagnetism. The project is also supposed to realize the non-volatile control of electric and magnetic properties of FGT by electric field, and thus provides physical foundation for the construction of non-volatile electronic devices based on two-dimensional ferromagnetic materials.
随着大数据、人工智能、物联网的发展,人们对电子器件多功能、高精度、高密度、超低功耗的需求越来越迫切,以应对不断增长的数据处理和存储需要。随着对铁电材料的研究的深入,基于铁电材料的铁电存储器被视为下一代高性能非易失存储器的有力候选材料,具备非易失性、快速读取和低功耗的优点。同时,低维功能材料凭借其独特的物理效应,逐渐成为新型传感器、存储器等领域的研究焦点。基于此,本论文聚焦于“低维功能材料/铁电单晶”异质结,分别构建了二维铁磁Fe3GeTe2/PMN-PT 异质结和准一维Te 薄膜/PMN-PT 异质结,利用电场诱导的铁电畴极化翻转对低维功能材料电、磁性能的原位、动态、非易失调控,并深入研究材料的本征电、磁特性和调控机理,旨在为开发多功能、高密度、低功耗、非易失存储器件开辟道路。本项目的研究内容主要包括以下两方面:.(1)通过化学气相输运法制备了高质量的 Fe3GeTe2单晶,测试表明FGT单晶的居里温度达到272 K,具有优异的铁磁性;在此基础上,借助微纳加工手段,开发、优化工艺路径,成功实现二维铁磁 Fe3GeTe2/铁电 PMN-PT 异质结器件的构建,利用电场诱导的 PMN-PT 铁电畴极化翻转,实现对Fe3GeTe2电输运性能的可逆、非易失调控。.(2)通过脉冲激光沉积法构建Te/PMN-PT异质结,实现了纳米机械裂纹开关对器件电学性能的可逆、稳定、非易失调控,静态功耗近乎为0且开关比达到3.6×106;利用这种独特的性能,提出一种铁电存储器件的设计框架,其具有高开关比、超低功耗和优异的抗疲劳特性。以上研究不仅为研究低维材料内部物理机制提供了可靠的材料平台,同时为开发基于铁电材料的新型电子器件奠定了理论和实验基础,具有重要的科学研究意义。.
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