在 Si 上溅射纯相 BiFeO$_3$ 薄膜：一条通向高磁化强度的新路径

我们研究了一种新路径下、在 O$_2$ 自由低压 Ar 气氛中通过射频磁控溅射在(100)取向 Si 衬底上生长的 BiFeO$_3$(BFO)薄膜的结构与磁性。在加热衬底上沉积单晶相 BFO 薄膜并原位退火。该新路径允许高沉积速率并生成多晶 BFO 纯相，经高分辨 X 射线衍射确认。扫描电子与原子力显微镜显示极低的表面粗糙度与 33 nm 的平均粒径。BFO 相与组分经透射电子显微镜与透射电子显微镜模式下的线扫描能谱确认。经 X 射线光电子能谱分析的表面化学显示 Fe$^{3+}$ 与 Fe$^{2+}$ 以 2:1 比例存在，强烈表明薄膜含氧空位。测得沿薄膜垂直与平行方向均存在室温高饱和磁化强度 $\sim 165 \times 10^3$ A/m 的滞回铁磁行为。这种源于新路径的高磁化强度，在氧空位、反铁磁螺旋序的破缺以及由表面/体积比变化引起的自旋倾斜增加框架下得到解释。理解多铁性薄膜的磁行为是多层层状结构与多层器件开发的关键，而在 Si 衬底上制备多铁性材料为可直接集成入现有半导体与自旋电子技术的材料开发开辟了新可能。