【儀表網 研發快訊】磁電耦合通常存在于多鐵性體系中，即鐵電有序性可以由磁場調控，同時(反)鐵磁有序性可以由電場來調控，因此這一基本物理特性在多場調控、自旋電子學、傳感和能源等領域中具有重要的基礎研究意義和應用價值。而由于自支撐多鐵性氧化物薄膜或二維體系的不穩定性和易碎性，傳統方法限制了相關探測和研究，而使這些同時發生的電磁有序和耦合的表征、機制研究及耦合效應調控變得頗具挑戰性。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室研究員金奎娟與中科院院士楊國楨課題組，致力于利用光學二次諧波產生(Second Harmonic Generation，SHG)表征及探測以揭示復雜氧化物薄膜的空間反演不對稱、極化耦合和鐵電有序演變等物理的研究。近年來，金奎娟帶領的團隊，先后圍繞SHG探測異質結表面和界面的空間對稱破缺，SHG探測氧化物鐵電薄膜的鐵電相態演變、具有超高熱電性能(與華中科技大學張光祖團隊合作)的ClO4分子的結構對稱性破缺等開展研究。科研人員自主發展了寬溫區、高真空度、多氣體環境SHG光學探測平臺，與清華大學教授林元華和中科院院士南策文團隊合作，原位實時探測了弛豫鐵電薄膜Sm-doped BiFeO3-BaTiO3中的極化耦合演變，發現并證實了具有超高儲能密度的超順電態。上述成果為發展更先進的SHG方法研究多鐵體系中的磁電耦合奠定了基礎。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心L03組博士研究生徐帥與畢業生王潔素(現為北京量子信息科學研究院副研究員)在金奎娟的指導下，使用脈沖激光沉積法制備了多鐵性的外延BiFeO3(BFO)薄膜和自支撐BFO薄膜，并利用外加磁場的寬溫區SHG技術研究了多鐵性BFO薄膜中的磁電耦合效應。該團隊系統地探究了不同應力調控下BFO薄膜中鐵電有序和反鐵磁有序隨著外加磁場和溫度的演化，并與物理所白雪冬研究員課題組博士陳潘合作，利用透射電鏡給出不同應力調控下薄膜中鐵電序的演變。
研究人員定義了一個光學磁電耦合常數——表示通過磁場控制多鐵性材料中光致非線性極化的能力。研究顯示，應變釋放以后，自支撐BFO薄膜中光學磁電耦合常數的絕對值減小，且反鐵磁有序和鐵電有序均被抑制。研究發現，該光學磁電耦合常數在自支撐BFO薄膜中與在襯底上外延生長的薄膜中具有相同的量級，表明磁電耦合效應對于應變釋放具有魯棒性。研究觀察到外延BFO薄膜中Néel溫度(反鐵磁-順磁轉變溫度點)為618 K的一級相變和自支撐BFO薄膜中飽和磁矩，相較于外延BFO薄膜，發生了約7倍的增強，而后者主要歸因于與電子自旋-軌道耦合相關的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的變化。進一步，研究發現，自支撐BFO薄膜中強大的磁電耦合效應在室溫下仍然存在，預示著其未來在柔性多功能器件中的潛在應用。上述成果展示了SHG方法原位無損探測自支撐等多鐵性薄膜或二維體系中鐵電及反鐵磁有序等物理性質的靈敏性和有效性。
近日，相關研究成果以Magnetoelectric Coupling in Multiferroics Probed by Optical Second Harmonic Generation為題，在線發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。北京大學科研人員參與研究。
圖1.自支撐BFO薄膜的制備及鐵電性能表征
圖2.寬溫區(各向異性)SHG和外加磁場(H)的各向異性SHG測試
圖3.M-H和外加磁場的SHG測試
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