Voltage-controlled magnetoelectric switching of a multiferroic/ferromagnetic heterostructure

This thesis investigates voltage-controlled magnetoelectric switching in a multiferroic/ferromagnetic heterostructure based on lanthanum-doped bismuth ferrite (Bi_{0.85}La_{0.15}FeO_3, BLFO) coupled to a cobalt-iron (Co_{90}Fe_{10}, CoFe) layer. The work aims to elucidate the microscopic coupling mechanisms that enable electric-field control of magnetization, a key step toward low-power spintronic applications. A comprehensive approach combining electrical, structural and magnetic characterizations was employed, supported by phenomenological modeling. Engineering of the heterostructure’s electrode stack, using a SrRuO_3/La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3 composite bottom electrode, successfully minimized imprint effects and enhanced ferroelectric stability, ensuring reproducible polarization switching. Piezoresponse force microscopy confirmed that La doping preserves the stripe-like domain architecture of BiFeO_3while improving its electrical performance and domain retention. Magneto-optical Kerr effect and anisotropic magnetoresistance (AMR) measurements revealed a robust interfacial exchange bias between the BLFO and CoFe layers. The magnetoelectric coupling was shown to induce a reversible reorientation of the exchange bias direction upon electric-field-driven polarization switching, demonstrating deterministic and non-volatile electric control of magnetization at room temperature. Analysis of AMR data indicated that a magnetization reorientation takes place, confirming an effective modulation of the interfacial exchange term, but full 180° magnetic reversal is prevented by the strong uniaxial anisotropy. These findings provide a coherent microscopic-to-macroscopic picture of magnetoelectric interactions in BLFO/CoFe systems and establish a framework for electrically controlled spintronic devices operating with very low energy consumption thanks to the voltage-driven, instead than current-driven, magnetic switching.

La presente tesi analizza la commutazione magnetoelettrica controllata da tensione in un'eterostruttura multiferroica/ferromagnetica costituita da ferrite di bismuto drogata con lantanio (Bi_{0.85}La_{0.15}FeO_3, BLFO) accoppiata a uno strato ferromagnetico di cobalto e ferro (Co_{90}Fe_{10}, CoFe). L’obiettivo del lavoro è comprendere i meccanismi di accoppiamento tra ordine ferroelettrico e ordine magnetico che consentono il controllo della magnetizzazione mediante campo elettrico, con ricadute rilevanti per lo sviluppo di dispositivi spintronici a basso consumo energetico. È stato adottato un approccio integrato, che combina caratterizzazioni elettriche, strutturali e magnetiche con l’analisi fenomenologica. L’ottimizzazione dell’architettura degli elettrodi, comprendente un elettrodo inferiore composito SrRuO_3/La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3, ha consentito di ridurre gli effetti di polarizzazione preferenziale residua e di migliorare la stabilità ferroelettrica, garantendo una commutazione della polarizzazione stabile e riproducibile. Le indagini mediante microscopia a forza piezoelettrica hanno evidenziato che la sostituzione con lantanio preserva la tipica struttura a strisce dei domini ferroelettrici del BiFeO_3, migliorandone, al contempo, le prestazioni elettriche. Le misure ottiche e di trasporto, basate rispettivamente sull’effetto Kerr magneto-ottico e sulla magnetoresistenza anisotropa (AMR), hanno mostrato un marcato accoppiamento magnetoelettrico tra gli strati di BLFO e CoFe. La commutazione della polarizzazione elettrica induce una ri-orientazione reversibile del bias di scambio magnetico tra i momenti magnetici di CoFe e BLFO, dimostrando la possibilità di un controllo elettrico deterministico e non volatile della magnetizzazione a temperatura ambiente. L’analisi dei dati sperimentali associati all'AMR indica che, pur non essendo riusciti ad ottenere una completa inversione magnetica di 180° a causa della forte anisotropia uniassiale, si osserva una ri-orientazione della magnetizzazione, segno di una modulazione efficace dell’accoppiamento interfacciale. I risultati ottenuti forniscono una visione coerente dei processi di interazione magnetoelettrica nei sistemi BLFO/CoFe e definiscono un quadro di riferimento per la realizzazione di dispositivi spintronici controllati elettricamente, in grado di operare con un consumo energetico molto ridotto grazie a una commutazione magnetica guidata dalla tensione invece che dalla corrente.