Magnetron Sputtering Synthesis of La-Doped BiFeO3 Thin Films and Enhanced Exchange Bias in CoFeB/Bi1-xLaxFeO3 Heterostructures
Síntese por Sputtering Magnetron de Filmes Finos de BiFeO₃ Dopados com La e Aumento do Exchange Bias em Heteroestruturas CoFeB/Bi₁₋ₓLaₓFeO₃
Autores:
* Pesquisadora NAPI EZC
Publicado 29 de outubro de 2025
Abstract
Multiferroic BiFeO3 (BFO) thin films have attracted significant attention for spintronic applications due to their strong magnetoelectric coupling at room temperature. However, the application of BFO remains at the laboratory stage, and low-temperature, large-scale preparation of BFO thin film still constitutes a challenge. In this study, the growth conditions of single-crystalline BFO, La-doped Bi1-xLaxFeO3 (BLFO), and ferromagnetic/BLFO heterostructures are optimized based on magnetron sputtering techniques. The following achievements are realized: 1) Epitaxial growth of BFO thin films at 440 °C, which is below the CMOS-compatible temperature; 2) Optimization of La doping at 550 °C to enhance the epitaxial quality (ω scan FWHM = 0.12), reduce leakage current (Jc ≈ 10−2 mA cm−2), and lower the ferroelectric switching voltage (1.83 V) of BLFO; 3) Achievement of a large exchange bias (Hex = 85.1 Oe) with Hex/coercive field(Hc)>1 in CoFeB/BLFO heterostructures. These achievements advance the broader application of BFO and lay the foundation for voltage-controlled field-free switching in ultra-low-power spintronic devices.
Resumo
Filmes finos multiferroicos de BiFeO₃ (BFO) têm atraído uma atenção significativa para aplicações em spintrônica devido ao seu forte acoplamento magnetoelétrico à temperatura ambiente. No entanto, as aplicações do BFO ainda ocorrem em nível laboratorial, e a preparação de filmes finos de BFO em larga escala e a baixas temperaturas continua sendo um desafio. Neste estudo, as condições de crescimento de BFO monocristalino, de Bi₁₋ₓLaₓFeO₃ (BLFO) dopado com lantânio, e de heteroestruturas ferromagnéticas/BLFO são otimizadas com base em técnicas de deposição catódica (magnetron sputtering). As seguintes conquistas foram alcançadas: 1-) crescimento epitaxial de filmes finos de BFO a 440 °C, que é uma temperatura abaixo do limite compatível com a tecnologia CMOS; 2-) otimização da dopagem com lantânio, à 550 °C, resultando em melhoria da qualidade epitaxial (largura à meia-altura da varredura ω = 0,12), redução da corrente de fuga (Jc ≈ 10⁻² mA cm⁻²) e diminuição da tensão de comutação ferroelétrica (1,83 V) do BLFO; 3-) obtenção de um grande campo de troca (exchange bias, Hex = 85,1 Oe) com razão Hex/campo coercivo (Hc) > 1 em heteroestruturas CoFeB/BLFO. Esses achados impulsionam as possibilidades de aplicação mais ampla do BFO, e estabelecem as bases para a comutação sem campo magnético controlada por tensão elétrica em dispositivos spintrônicos de ultrabaixo consumo de energia.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
