天津工业大学张德林团队研究成果：单相亚铁磁反尖晶石镍钴氧化物中的交换偏置效应
引言
近年来，自旋电子学领域快速发展，对具有可调磁各向异性和高热稳定性的磁性材料需求日益增长。单相亚铁磁反尖晶石镍钴氧化物（NiCo2O4，NCO）因其独特的晶体结构和优异的磁电特性，如高居里温度、高自旋极化率及显著的氧化还原敏感性，成为自旋电子器件、红外光电子学和电化学传感器领域的潜在关键材料。本文旨在揭示NCO薄膜中的交换偏置效应及其调控机制，为开发高性能自旋电子学器件提供科学依据。文章基于天津工业大学张德林教授团队研究成果及国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、天津工业大学沧州市研究院项目等资助。
1、研究背景 交换偏置效应的重要性：交换偏置效应是自旋电子学中的核心物理现象，对非易失性磁存储、高灵敏度磁传感器及量子信息器件等至关重要。传统交换偏置材料体系（如FeMn/IrMn与CoFe界面）面临界面原子级结构敏感、高温下钉扎作用消失等挑战，限制了其进一步应用。 NCO材料的潜力：NCO作为一种反向尖晶石结构材料，因其独特的晶体结构和多自由度耦合特性，在磁有序态与电输运协同调控方面展现出巨大潜力。其兼具室温亚铁磁性和垂直磁各向异性，为探索新型交换偏置材料提供了新思路。 外延生长技术的优势：脉冲激光沉积（PLD）技术能够实现高质量外延薄膜的生长，通过精确控制衬底温度等参数，可有效调控薄膜的晶体结构和磁电性质，为研究NCO薄膜中的交换偏置效应提供了有力工具。 2、创新亮点 （1）单相交换偏置效应的发现 本研究首次在单相NCO薄膜中观察到交换偏置效应，打破了传统认知中交换偏置效应仅存在于FM/AFM异质结的局限，为开发单相交换偏置系统提供了新范式。 （2）衬底温度对交换偏置的调控 通过系统研究不同衬底温度下NCO薄膜的交换偏置效应，揭示了衬底温度对薄膜磁电性质及交换偏置场的显著影响，为优化NCO薄膜性能提供了实验依据。 （3）多手段表征与深入分析 结合X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、综合物理性能测量系统（PPMS）等多种表征手段，深入分析了NCO薄膜的晶体结构、表面形貌及电磁学性能，揭示了交换偏置效应产生的微观机制。 3、图文展示 图1 (a) NCO的晶体结构示意图；(b) MgAl2O4/NiCo2O4的X射线衍射图；(c) NCO薄膜在衬底温度为350 ℃的AFM图谱；(d) NCO薄膜在衬底温度为375 ℃的AFM图谱 Fig.1 (a) Schematic crystal structure of NiCo2O4; (b) X-ray diffraction pattern of MgAl2O4/NiCo2O4; (c) AFM patterns of NCO films at substrate temperatures of 350 ℃; (d) AFM patterns of NCO films at substrate temperatures of 375 ℃ 图2 不同衬底温度下NCO/MAO样品中测量得到的场冷反常霍尔效应曲线及磁矩变化示意图：(a)350 ℃; (b) 360 ℃;(c)375 ℃ Fig.2 FC anomalous Hall effect curves and magnetic moment variation schematic in NCO/MAO samples at different substrate temperatures:(a)350 ℃;(b)360 ℃;(c)375 ℃ 图3 5 K测量温度下，衬底温度为360 ℃ 在-8 T场冷下的交换偏置效应钉扎机理图 Fig.3 The pinning mechanism diagram of exchange bias effect under -8 T field cooling at 360 ℃ substrate temperature and test temperature of 5 K 图4 不同衬底温度下NCO/MAO样品中测量得到的5 K场冷反常霍尔效应曲线及磁矩随磁场变化示意图：(a)360 ℃;(b)375 ℃ Fig.4 5 K FC anomalous Hall effect curves and the variation of magnetic moment with magnetic field schematically measured in NCO/MAO samples at different substrate temperatures:(a)360 ℃;(b)375 ℃ 4、结论 （1）成功制备高质量NCO薄膜：在氧压200 mTorr的优化条件下，通过PLD技术在不同衬底温度下成功制备了高质量NCO外延薄膜，薄膜表面平整光滑，具有良好的结晶性。 （2）衬底温度对磁电性质的影响：随衬底温度升高，NCO薄膜的矫顽力减小，反常霍尔效应曲线呈现非对称性特征，表明薄膜中存在未补偿磁矩和反铁磁相，这是产生交换偏置效应的关键因素。 （3）交换偏置效应的发现与调控：在低温下，特定衬底温度范围内的NCO薄膜出现明显的交换偏置现象，交换偏置场随衬底温度变化呈现复杂非单调性。通过调控衬底温度，可有效调控交换偏置场的大小和方向。 （4）机制分析与理论贡献：NCO薄膜中的交换偏置效应源于未补偿磁矩、氧空位导致的反铁磁区域以及可能存在的反铁磁相（如CoO、NiO）与铁磁相之间的界面耦合。本研究深化了对反尖晶石氧化物磁输运机制的理解，为开发高性能自旋电子学器件提供了理论指导。 引用本文 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第11期，欢迎引用本文： 付怡乐,王婷,孔静,等.单相亚铁磁反尖晶石镍钴氧化物中的交换偏置效应[J].功能材料,2025,56(11):11114-11120. FU Y L,WANG T,KONG J,et al.Exchange bias effect in single-phase ferrimagnetic inverse spinel nickel-cobalt oxide[J].Journal of functional materials,2025,56(11):11114-11120.