交换偏置通常用来描述不同磁序相界面上的交换耦合作用，对基础物理研究及自旋电子学器件的发展具有重要意义，基于这种交换偏置效应的自旋阀、磁隧道结等已成功应用于制备巨磁阻器件。目前该领域中还存在几个主要问题：一方面产生交换偏置效应的物理机制仍存在争议；另一方面，对于单相材料，交换偏置作用只在几十K温度下才出现。因此当前该领域的研究主要集中在：一是致力于寻求室温下具有更低能耗交换偏置材料；二是利用异质结构界面来实现室温交换偏置作用并对其进行调制。因而能够有效的实施对单相和异质结构交换偏置材料的并行研究并取得重要进展，可以为进一步的器件研究打下了基础。
近几年来，在科技部“国家重大研究计划”的支持下，陆亚林课题组利用层间插入的方法，发展了一个全新的复杂氧化物多参量复合量子功能材料体系。最近，该课题组成功制备了具有九层长周期的单相铋层状结构氧化物（Bi10Ti3Fe6O30），其在100 K时交换偏置场可达1468 Oe，成功实现高场强的输出，将有效交换偏置温度提高到150K左右，为进一步实现室温下的交换偏置奠定了基础。研究人员通过同步辐射等先进实验手段，在原子尺度上观察到磁性Fe离子在这种长周期层状结构中的不均匀分布，提出交换偏置效应来源于反铁磁自旋和团簇玻璃态之间的相互作用。这种伴随有显著交换偏置效应的新型单相材料的发现，为进一步寻找室温下具有交换偏置效应的单相化合物提供了一种新思路，新型室温单相材料的发现能够避免异质结构中界面制备工艺复杂、界面扩散等导致的能量损耗等诸多问题，对理解交换偏置基本物理机制及潜在的应用器件开发具有重要的指导意义。相关研究成果发表于国际刊物Scientific Reports (Observation of Exchange Anisotropy in Single-Phase Layer-Structured Oxides with Long Periods, Sci. Rep. 2015, 5, 15261)。
图1 单相长周期层状氧化物Bi10Ti3Fe6O30中的交换偏置现象。
另一方面，利用异质结构发展交换偏置材料的研究已从铁磁（FM）/反铁磁（AFM）界面体系扩展到多铁体系，从而可以通过磁电耦合，在室温下对交换偏置进行电场或磁场调控。在理解这种界面交换偏置的起源中，通过研究角度相关的交换偏置，可以进行独立的测试以检验已知理论模型的正确性。近日，清华大学赵永刚教授课题组发展了一种简单有效的研究交换偏置角度依赖的方法，他们在压电单晶衬底Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3（PMN-PT）上制备了具有交换偏置的磁性薄膜Co40Fe40B20 (CoFeB)/Ir25Mn75 (IrMn)，实现了室温下电场对交换偏置的可逆调控及室温零磁场下的磁化翻转，为超低能耗磁电器件及电场控制的自旋电子学器件的开发设计提供了思路。相关文章发表于国际著名刊物Advanced Materials（Angular Dependence of Exchange Bias and Magnetization Reversal Controlled by Electric-Field-Induced Competing Anisotropies, DOI: 10.1002/adma.201503176）。该研究与中国科学技术大学陆亚林课题组合作，科大课题组利用原位电场X射线衍射技术，检验了PMN-PT（011）衬底out-of-plane晶格常数随原位电场的变化情况，表征了这种多铁性异质结构在不同电场下的应变性质。
图2 外加电场对磁性薄膜角度依赖及零磁场磁化翻转的调控。
以上研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和科技部“973”项目等资助。
