国仪量子SNVM助力多铁材料生长与调控新突破

2025-11-14 11:05:47, CIQTEK 国仪量子技术（合肥）股份有限公司

近日，北京航空航天大学研究团队在《Advanced Physics Research》发表成果：通过磁控溅射技术优化镧掺杂铋铁氧体（Bi₁₋ₓLaₓFeO₃，BLFO）薄膜的制备工艺，并借助国仪量子扫描NV探针显微镜（SNVM） 精准解析微观磁畴结构，成功突破多铁性材料在低温规模化制备与自旋电子器件无场切换中的核心瓶颈，为下一代超低功耗存储器件发展提供关键技术支撑。

多铁性材料 BiFeO₃（BFO）因室温下兼具铁电性与反铁磁性，被视为自旋电子器件的 “核心候选材料”，但其应用长期受限于高温制备、高漏电流及磁性能调控难题。此次研究中，团队不仅通过磁控溅射实现了 440℃（低于 CMOS 兼容温度）下单晶 BFO 薄膜的外延生长，更通过 La 掺杂将 BLFO 的漏电流降低至 10⁻² mA・cm⁻²、铁电开关电压降至 1.83 V。

在实验中，SNVM 主要承担三大核心角色：

1.La掺杂对反铁磁畴结构的调控效应

图3e-h的NV测试结果清晰地展示了La掺杂浓度对BLFO薄膜磁畴结构的显著影响。随着La掺杂浓度从0%增加到10%，反铁磁畴尺寸明显增大，畴壁数量减少，这表明La掺杂有效增强了磁畴的稳定性。

2.磁畴尺寸与铁电性能的关联性

NV测试结果显示，在最优掺杂浓度（x=0.10）时，BLFO薄膜呈现出最大尺寸的反铁磁畴，这与PFM测试中观察到的最低铁电开关电压（1.81V）高度吻合。这种相关性证实了反铁磁畴尺寸的扩大有助于降低铁电极化翻转的能量势垒，从而改善铁电性能。

3.过量掺杂的负面效应

当La掺杂浓度达到15%时，NV图像显示磁畴结构发生明显退化，畴尺寸显著减小，畴壁变得不规则。这一现象与实验中观察到的性能下降相一致，包括铁电极化反转幅度降低约40%，以及漏电流异常增加，表明过量掺杂破坏了材料的本征多铁性有序。

4.磁电耦合机制的直接证据

NV测试为BLFO薄膜中的磁电耦合提供了直观证据。反铁磁畴结构的改变与铁电性能的变化呈现同步性，说明通过La掺杂调控磁畴结构是实现性能优化的有效途径。这一发现为设计高性能多铁性器件提供了重要的理论基础。

SNVM具有高空间分辨率与高灵敏度的优势，这项工作进一步表明了 SNVM 是研究多铁材料新利器，弥补了磁光克尔显微镜和磁力显微镜的不足。随着自旋电子学的进一步发展，未来基于 BLFO 的电压控制无场切换自旋电子器件有望突破功耗瓶颈，为 20 nm 以下节点的存储芯片提供新方案，而 SNVM 也将成为更多量子材料与器件研究的 “核心装备”，推动量子传感与电子信息领域的深度融合。