h-LuFeO?多铁性材料中畴边界处的磁电耦合

多铁LuFeO3薄膜中两种晶界类型的原子重构与磁电耦合机制研究。通过脉冲激光沉积制备薄膜，结合透射电子显微镜和第一性原理计算，揭示了Type-I晶界（Fe原子重构导致磁有序可逆调控）和Type-II晶界（Lu/Fe柱共享实现磁电解耦）的界面特性，阐明了极化方向对磁耦合的调控规律。

　　

钱振|孙子怡|姜一晓|姚婷婷|杨志清|叶恒强|陈春林

中国科学院金属研究所沈阳国家材料科学实验室，中国沈阳 110016

摘要

畴边界（DBs）在多铁性薄膜中普遍存在，并在调节其磁电性能方面起着关键作用。在这项研究中，我们结合了脉冲激光沉积、透射电子显微镜和第一性原理计算，定量阐明了六角形LuFeO₃薄膜中两种类型的畴边界结构，以及两侧的铁电极化方向对界面磁耦合的调控机制。在I型边界处，Fe的原子重构使得磁序可以直接由铁电极化方向控制。通过反转铁电极化方向，界面磁耦合可以从反铁磁（AFM）状态切换到铁磁（FM）状态。反平行极化稳定了AFM状态，而平行极化稳定了FM状态。相比之下，II型畴边界的特征是Lu/Fe列共享，并表现出对极化不敏感的反铁磁性，从而实现了磁序和电序的有效解耦。我们的发现表明，畴边界处的特定原子重构是一个强大的设计参数，可用于定制界面磁电功能，I型和II型边界分别提供了开发电可切换和稳定磁界面的不同途径。

引言

多铁性材料同时具有（反）铁磁（AFM/FM）和铁电有序性，近年来由于其在下一代存储设备、自旋电子设备和高灵敏度磁场传感器中的潜在应用而引起了广泛关注[[1], [2], [3]]。不同铁磁序之间的耦合，特别是磁序和电序之间的耦合，导致了多种新颖的物理现象，其中值得注意的例子包括电场对磁性的控制和磁场对极化的调制[4]。这种现象已在多种多铁性系统中得到广泛研究，包括钙钛矿氧化物BiFeO₃和TbMnO₃ [[5], [6], [7]]、尖晶石铁氧体Fe₃O₄ [[8], [9], [10]]，以及六角形稀土锰氧化物和铁氧体（h-RMnO₃和h-RFeO₃，其中R = Y, Dy-Lu）[[11], [12], [13], [14], [15]]。

尽管多铁性材料具有巨大潜力，但目前对这些系统中磁电耦合的理解仍然有限。这些效应通常较弱，难以控制，并且受到晶体结构、缺陷和外部刺激的复杂影响[16,17]。因此，在设备中实现可靠且高效的磁电耦合仍然具有挑战性。最近的研究强调了畴边界（DBs）和界面在控制多铁性性质中的作用[[18], [19], [20]]。在畴边界处，极化方向发生突变，由于局部对称性的破坏以及晶格、自旋和电荷自由度之间的耦合，这些边界表现出独特的特性，使其在操控磁电响应方面至关重要[21]。

六角形LuFeO₃（h-LuFeO₃）是一种典型的多铁性材料，由于其较高的铁电居里温度（T_C ≈ 1050 K）和Néel温度以下较弱的铁磁性（T_N ≈ 130 K），为研究磁电耦合提供了一个理想的平台[22]。h-LuFeO₃的亚稳态特性需要高压和高温合成，这限制了实验进展。脉冲激光沉积（PLD）、金属有机化学气相沉积和分子束外延技术的最新进展使得在YSZ(111)和Al₂O₃(0001)等晶格匹配衬底上生长高质量的外延h-LuFeO₃薄膜成为可能，从而发现了室温下的磁电多铁性[11,23,24]、铁电畴结构和弱FM畴[[25], [26], [27]]、缺陷增强的极化切换[28]，以及超晶格和异质结构中的电荷有序[29,30]。然而，h-LuFeO₃薄膜中内在畴边界对磁电耦合的微观机制，特别是畴边界处的原子尺度极化-自旋相关性，仍尚未被探索。

本研究调查了h-LuFeO₃薄膜中畴边界处的极化控制磁耦合现象，不同极化方向导致不同的磁耦合行为。我们通过PLD技术在MgO(111)衬底上生长了含有高密度畴边界的h-LuFeO₃薄膜。利用原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）和第一性原理计算，揭示了两种主要类型畴边界处极化控制磁耦合的原子起源。这种多方面的方法使我们能够直接关联原子尺度结构、电子态和磁性质。我们定量证明了I型边界处的可切换耦合和II型边界处的解耦AFM耦合是由边界特定的原子重构控制的。这些结果建立了原子尺度结构-性质关系，并强调了畴边界工程作为设计多铁性器件功能性界面的可行策略。

实验部分

实验

使用PLD技术在MgO(111)衬底上生长了h-LuFeO₃薄膜。首先用2000次激光脉冲对多晶LuFeO₃靶材进行预溅射以去除表面污染物。然后将衬底加热至900 °C持续15分钟进行表面清洁，随后冷却至850 °C进行薄膜沉积。靶材与衬底之间的距离保持在8厘米。沉积过程在100 Pa的氧气压力下进行，激光重复频率为5 Hz，能量密度为1.5 J/cm²。沉积持续60分钟后

结果与讨论

使用PLD技术在MgO(111)衬底上外延生长了高质量的h-LuFeO₃薄膜。图1(a)显示了h-LuFeO₃/MgO(111)的垂直于平面的HRXRD图谱。仅观察到对应于MgO和h-LuFeO₃的峰，表明其具有高相纯度和高结晶度。(0002)、(0004)和(0008)峰的存在证实了薄膜的外延生长，且取向关系为h-LuFeO₃(0001) // MgO(111)。XPS光谱（图1(b)）显示了Lu的特征峰（4p, 4

结论

通过原子分辨率STEM、第一性原理计算和电子结构分析，我们揭示了h-LuFeO₃薄膜中畴边界处的极化控制磁耦合现象，并证明了通过铁电极化可以控制磁性。使用PLD技术在(111) MgO衬底上外延生长了高结晶度的h-LuFeO₃薄膜。研究发现薄膜中形成了高密度的畴边界，这些畴边界可以分为两种类型。对于I型畴边界，Fe的原子重构

作者贡献声明

钱振：撰写——原始稿件、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念化。孙子怡：撰写——原始稿件、可视化、软件应用、方法论、研究、形式分析。姜一晓：可视化、监督、软件应用、方法论、研究。姚婷婷：监督、资金获取、形式分析。杨志清：监督、资源调配、资金获取。叶恒强：监督、资源调配、资金获取。陈春林：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52125101、W2511055和52271015）、季华实验室项目（编号X210141TL210）、辽宁省青年科学基金B类项目（编号2025010037-JH6/1010）以及广东省基础研究重大项目（编号2021B0301030003）的支持。最后，我们衷心感谢金属研究所的崔静平博士和李长吉博士在实验指导方面的帮助，以及田敏博士和