國儀量子SNVM助力多鐵材料生長與調控新突破

近日，北京航空航天大學研究團隊在《Advanced Physics Research》發表成果：通過磁控濺射技術優化鑭摻雜鉍鐵氧體（Bi???La?FeO?，BLFO）薄膜的制備工藝，并借助國儀量子掃描NV探針顯微鏡（SNVM） 精準解析微觀磁疇結構，成功突破多鐵性材料在低溫規?；苽渑c自旋電子器件無場切換中的核心瓶頸，為下一代超低功耗存儲器件發展提供關鍵技術支撐。 

多鐵性材料 BiFeO?（BFO）因室溫下兼具鐵電性與反鐵磁性，被視為自旋電子器件的 “核心候選材料"，但其應用長期受限于高溫制備、高漏電流及磁性能調控難題。此次研究中，團隊不僅通過磁控濺射實現了 440℃（低于 CMOS 兼容溫度）下單晶 BFO 薄膜的外延生長，更通過 La 摻雜將 BLFO 的漏電流降低至 10?2 mA?cm?2、鐵電開關電壓降至 1.83 V。

在實驗中，SNVM 主要承擔三大核心角色：

1.La摻雜對反鐵磁疇結構的調控效應

圖3e-h的NV測試結果清晰地展示了La摻雜濃度對BLFO薄膜磁疇結構的顯著影響。隨著La摻雜濃度從0%增加到10%，反鐵磁疇尺寸明顯增大，疇壁數量減少，這表明La摻雜有效增強了磁疇的穩定性。

2.磁疇尺寸與鐵電性能的關聯性

NV測試結果顯示，在摻雜濃度（x=0.10）時，BLFO薄膜呈現出較大尺寸的反鐵磁疇，這與PFM測試中觀察到的較低鐵電開關電壓（1.81V）高度吻合。這種相關性證實了反鐵磁疇尺寸的擴大有助于降低鐵電極化翻轉的能量勢壘，從而改善鐵電性能。

3.過量摻雜的負面效應

當La摻雜濃度達到15%時，NV圖像顯示磁疇結構發生明顯退化，疇尺寸顯著減小，疇壁變得不規則。這一現象與實驗中觀察到的性能下降相一致，包括鐵電極化反轉幅度降低約40%，以及漏電流異常增加，表明過量摻雜破壞了材料的本征多鐵性有序。

4.磁電耦合機制的直接證據

NV測試為BLFO薄膜中的磁電耦合提供了直觀證據。反鐵磁疇結構的改變與鐵電性能的變化呈現同步性，說明通過La摻雜調控磁疇結構是實現性能優化的有效途徑。這一發現為設計高性能多鐵性器件提供了重要的理論基礎。

SNVM具有高空間分辨率與高靈敏度的優勢，這項工作進一步表明了 SNVM 是研究多鐵材料新利器，彌補了磁光克爾顯微鏡和磁力顯微鏡的不足。隨著自旋電子學的進一步發展，未來基于 BLFO 的電壓控制無場切換自旋電子器件有望突破功耗瓶頸，為 20 nm 以下節點的存儲芯片提供新方案，而 SNVM 也將成為更多量子材料與器件研究的 “核心裝備"，推動量子傳感與電子信息領域的深度融合。

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