Настройка электрического поля Энергетический магнетизм в полуметаллических сплавах Co2FeAl / Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) O3-PbTiO3 Гетероструктура

Фон

С быстрым развитием информационных технологий в последние годы большое внимание уделяется растущему спросу на высокую скорость, малое рассеивание мощности и энергонезависимость в прикладных устройствах. Стремясь удовлетворить потребность, было доказано, что управление магнитным полем посредством магнитоэлектрической (МЭ) связи в мультиферроичных гетероструктурах ферромагнетик / сегнетоэлектрик (FM / FE) может обеспечить комбинацию вышеуказанных преимуществ. В этих гетероструктурах FM / FE [1,2,3,4,5,6,7,8,9] механизмы связи ME были широко признаны как три аспекта, в том числе эффект пьезостресса, эффект заряда и обменное смещение [10, 11,12,13,14,15]. Среди прочего, пьезодостаточное напряжение достигается за счет эффекта пьезодостаточного напряжения, когда электрическое поле прикладывается к сегнетоэлектрическому материалу, что может вызвать большой магнитный отклик магнитного слоя. На основе МЭ связи, опосредованной пьезостаром, особый сегнетоэлектрический кристаллический материал Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ -30% PbTiO ₃ (PMN-PT) с большим эффектом пьезостресса часто используется в гетероструктурах FM / FE, поскольку d ₃₃ материала намного больше, чем d ₃₁ ; деформация или заряд, индуцированные электрическим полем, приложенным к слою PMN-PT, могут управлять магнитной анизотропией соседнего магнитного слоя, что приводит к МЭ-эффекту [16,17,18]. В гетероструктуре FM / FE полуметаллический сплав Гейслера Co ₂ FeAl (CFA) в качестве магнитного слоя следует использовать в качестве приемлемого материала [19,20,21,22]. Тонкая пленка CFA имеет превосходные свойства материала, такие как низкая постоянная магнитного затухания, высокая спиновая поляризация и высокая температура Кюри (1000 K), которые считаются идеальными спин-поляризованными источниками электронов для устройств спинтроники [23, 24]. Wu et. al. сообщили о пьезоэлектрической деформации в моносегнетоэлектрическом материале с ориентацией (011). Относительно большие изменения остаточной деформации были получены только при приложении и снятии электрического поля [25]. Однако магнитные свойства магнитного слоя, опосредованные пьезостандартом, за счет приложения электрического поля к подложке PMN-PT важны для применения в электронных устройствах. Поэтому в этой статье мы исследовали энергонезависимые магнитные свойства, опосредованные электрическим полем в Co ₂ FeAl / Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ -PbTiO ₃ гетероструктура при комнатной температуре. Энергонезависимая остаточная намагниченность, управляемая электрическим полем, вдоль направлений [100] и [01-1] была достигнута, а два гигантских обратимых и стабильных состояния остаточной намагниченности были получены путем приложения импульсного электрического поля [26]. Это может быть связано с эффектом пьезоэлемента, исходящим от пьезоэлектрической подложки, которая может быть потенциальным кандидатом для применения в электронных устройствах.

Методы

Гетероструктура состояла из сплава CFA в качестве FM-слоя и PMN-PT (011) в качестве FE-слоя. Тонкая пленка CFA была нанесена с помощью магнетронного распыления на постоянном токе (DC) при 600 ° C при давлении Ar 0,1 Па и скорости потока 10 SCCM (SCCM означает кубический сантиметр в минуту в STP) при базовом давлении 2 × 10 ⁻⁵ Па. Толщина тонкой пленки CFA составляла 40 нм. Слои Pt напылялись с помощью Pt-мишени толщиной 2 мм в качестве электродов. Толщина верхнего и нижнего слоя Pt составляла 10 и 50 нм соответственно. Медные проволоки соединялись с электродами липкой лентой. Статические магнитные свойства гетероструктуры CFA / PMN-PT исследовались с помощью магнитометра с вибрирующим образцом (VSM, MicroSense EV9). Источник питания постоянного тока (Keithley 2410) использовался для обеспечения напряжения смещения. Изображения магнитных доменов были записаны с помощью магнитно-силовой микроскопии (MFM) с использованием Asylum Research © MFP-3D при комнатной температуре с магнитомягкими наконечниками, намагниченными перпендикулярно плоскости образца. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждения

Основные строительные блоки гетероструктуры CFA / PMN-PT и система координат плоского статического магнитного измерения показаны на рис. 1a, b соответственно. Эффективное поле пьезоудаления, индуцированное электрическим полем ( H _σ ) и поле магнитной анизотропии ( H _k ) перпендикулярны друг другу. Определяем магнитное поле H применяется вдоль направления [100] как 0 °, тогда как направление [01-1] как 90 ° [26]. Из петли гистерезиса PMN-PT ( P - E петля, 1 Гц) и кривая деформации ( S - E ), который измерен сегнетоэлектрическими датчиками и тензодатчиками на рис. 1c, мы можем видеть, что поляризация насыщения PMN-PT составляет около 25 мкСм ⁻² , а коэрцитивное поле составляет около 100 В (2,5 кВ · см ⁻¹ ). MFM-изображение измеряется после снятия приложенного магнитного поля 1000 Э, как показано на рис. 1d. Темные и светлые области указывают на формирование неплоскостной составляющей намагниченности. Следовательно, образуется массив колеблющихся «вверх и вниз» магнитных доменов, известных как полосковые домены (SD), что предполагает существование значительной перпендикулярной магнитной анизотропии [27].

Схема мультиферроидной гетероструктуры CFA / PMN-PT ( a ) и схематическое изображение системы координат ( b ). α , φ , и θ - углы эффективного поля пьезодермины, индуцированного электрическим полем ( H _σ ), поле магнитной анизотропии ( H _k ) и намагниченности ( M _s ) относительно полного эффективного поля ( H ₀ ), соответственно. θ ₀ угол H _k относительно магнитного поля ( H ). c Петля гистерезиса ( P - E петля, 1 Гц) и кривая деформации ( S - E ) подложки PMN-PT вдоль направления [100]. г Типичное MFM-изображение пленки CFA

Петли магнитного гистерезиса гетероструктуры CFA / PMN-PT были измерены в направлении [100] и [01-1] в приложенных электрических полях ± 0 и ± 5 кВ · см ⁻¹ [11]. Электрическое поле прикладывалось сверху вниз как положительное, в противном случае отрицательное. - 0 и +0 кВсм ⁻¹ являются состояниями остаточной поляризации после приложенных электрических полей - 10 и + 10 кВ · см ⁻¹ выключил соответственно. Петли магнитного гистерезиса, показанные на рис. 2а, указывают на четкую плоскую магнитную анизотропию. Синяя линия представляет направление легкого намагничивания плоской петли гистерезиса вдоль направления [100], а остаточная намагниченность значительно меньше намагниченности насыщения. M - H петли были образованы двумя процессами намагничивания: M - H кривая демонстрирует линейную зависимость между приложенным магнитным полем от положительного поля насыщения до отрицательного поля коэрцитивности и резкой противоположностью M когда H достигает поля коэрцитивности; M - H кривая возвращается к линейной зависимости по мере того, как приложенное магнитное поле продолжает уменьшаться, что можно считать, что пленка имеет полосовую доменную структуру. Красная линия обозначает направление жесткого намагничивания, которое измеряется вдоль направления [01-1]. На рис. 2б показаны петли гистерезиса гетероструктуры CFA / PMN-PT в электрическом поле E . =5 кВсм ⁻¹ . По сравнению с результатом, показанным на фиг. 1a, направление легкой оси поворачивается на 90 °, то есть она поворачивается от направления [100] к [01-1] [28,29,30]. Как показано на рис. 2c, синяя линия совпадает с красной линией, а магнитная анизотропия в плоскости исчезает в состоянии поляризации + 0 кВсм ⁻¹ . Легкая магнитная ось возвращается в направление [100], когда приложенное электрическое поле продолжает уменьшаться до -5 кВ · см ⁻¹ . как показано на рис. 2d. Чтобы исследовать изменение поля магнитной анизотропии с различными электрическими полями, остаточная намагниченность под разными углами была измерена, как показано на рис. 2e. При этом измерении образец поворачивался от 0 ° до 360 ° в плоскости с шагом 5 °. Магнитная анизотропия в плоскости измерена в гетероструктуре CFA / PMN-PT. При - 0 кВсм ⁻¹ направление легкого намагничивания плоской кривой остаточного намагничивания - вдоль направления [100]. Величина относительной остаточной намагниченности ( M _r / M _s ) значительно меньше 1, что указывает на некогерентное расположение части магнитного момента. При увеличении электрического поля до + 2,5 кВсм ⁻¹ магнитная анизотропия уменьшается. Продолжая увеличивать электрическое поле до + 5 кВ · см ⁻¹ магнитная анизотропия в плоскости снова появляется. По сравнению с кривой остаточного намагничивания при –0 и + 5 кВ · см ⁻¹ легкая ось поворачивается на 90 °, что согласуется с результатом петель гистерезиса, как показано на рис. 2a, b. Это может быть связано с эффектом пьезоэлемента, индуцированным электрическим полем, а пьезоэлектрический эффект PMN-PT приведет к возникновению новой магнитной анизотропии (анизотропии напряжений H _σ ) в гетероструктуре CFA / PMN-PT. На магнитную анизотропию гетероструктур CFA / PMN-PT влияет комбинация H _σ и H _k [31].

а – д Петли магнитного гистерезиса при -0, 0, 5 и -5 кВ · см ⁻¹ , соответственно. е Измерено M _r / M _s по сравнению с θ ₀ кривые под действием различных электрических полей

Чтобы проверить эффект пьезодимуляции, индуцированный электрическим полем, была измерена остаточная намагниченность с приложенным электрическим полем в направлениях [01-1] и [100]. Мы измерили изменение остаточной намагниченности путем качания электрического поля после удаления магнитного поля насыщения 1200 Э в направлениях [100] и [01-1] соответственно. Получена асимметричная остаточная намагниченность типа бабочки в зависимости от приложенного электрического поля. Мы можем определить, что остаточная способность гетероструктуры CFA / PMN-PT реагирует на электрическое поле в форме бабочки; M - E Кривые были измерены путем изменения электрического поля от + 10 до - 10 кВ · см ⁻¹ на рис. 3а, в. Этот отклик симметричен кривой изменения напряжения в зависимости от электрического поля, что указывает на то, что эффект напряжения играет доминирующую роль в магнитном контроле образца. Стоит отметить, что остаточная намагниченность в состоянии остаточной поляризации (± 0 кВсм ⁻¹ ) отличается от + 10 кВ · см ⁻¹ показано заглавными буквами A и E на рис. 3 и - 10 кВ · см ⁻¹ демонстрируется B и F, которые представляют собой остаточное напряжение от субстрата PMN-PT. Состояние остаточной поляризации - это остаточная мощность 0 кВсм ⁻¹ состояние, которое определяется остаточным напряжением субстрата PMN-PT, а не то же самое при + 10 и - 10 кВ · см ⁻¹ . Это согласуется с кривой остаточной деформации на рис. 1c.

а , c Зависимость M _r / M _s электрического поля измеряли путем изменения формы электрического поля от + 10 до - 10 кВ · см ⁻¹ в направлениях [100] и [01-1] соответственно. б , d Зависимость M _r / M _s на электрическое поле было измерено путем изменения электрического поля от формы + 5 до - 5 кВ · см ⁻¹ в направлениях [100] и [01-1] соответственно. Цифры и стрелки обозначают шаги и направление измерения. Заглавные буквы на этом рисунке обозначают значения M . _r / M _s при остаточных состояниях поляризации

Мы провели эксперименты по соотношению остаточной намагниченности в ненасыщенном состоянии поляризации (± 5 кВсм ⁻¹ ) с электрическим полем в направлениях [100] и [01-1], чтобы отразить энергонезависимое управление электрическим полем. Можно обнаружить, что изменение остаточной намагниченности с электрическим полем также показывает изменение формы в виде петли, а остаточная намагниченность образца показывает хорошую энергонезависимость, которая возникает из-за остаточного поляризационного напряжения под положительным и отрицательные электрические поля, как показано на рис. 3b, d. Это дает хорошие перспективы для устойчивых к нагрузкам энергонезависимых запоминающих устройств.

Для применения магнитной памяти была достигнута энергонезависимая остаточная остаточная способность импульсного электрического поля, как показано на рис. 4. Прерывистые положительные и отрицательные электрические поля ± 5 или ± 10 кВ · см ⁻¹ наносятся поперек образца в направлениях [100] и [01-1]. Во-первых, магнитное поле устанавливается до 1200 Э, а затем уменьшается до 0. Затем импульсное электрическое поле сначала задерживается на уровне ± 5 кВ · см ⁻¹ . в направлении [100] и впоследствии уменьшен до 0 с результатами двух остаточных состояний поляризации, показанными заглавными буквами A и B на рис. 4a. Аналогичный случай для ± 10 кВсм ⁻¹ также наблюдались как другие остаточные поляризационные состояния C и D на рис. 4a, что также отражает нелетучие состояния в нашем образце. При приложении импульсного электрического поля к напряжению - 5 или - 10 кВ · см ⁻¹ и впоследствии уменьшившись до 0, мы можем сразу увидеть, что остаточная намагниченность относительно велика, и когда она применяется к 5 или 10 кВ · см ⁻¹ и впоследствии снижается до 0, остаточная намагниченность значительно снижается; это явление и ценность M _r / M _s согласуются с результатами рис. 3а, б. Мы провели подобное измерение в другом направлении образца и получили аналогичные результаты, показанные на рис. 4b. Можно видеть, что четыре различных и стабильных остаточных магнитных состояния переключаются двумя импульсными электрическими полями. Четыре резистивных состояния E, F, G и H генерируются импульсным переключением электрического поля ± 5 и ± 10 кВ · см ⁻¹ а затем мгновенно удалились в направлении [01-1] соответственно. Таким образом, остаточная способность Co ₂ Гетерогенный FeAl / PMN-PT контролирует напряжение и, таким образом, реализует многоуровневую намагниченность под действием импульсного электрического поля, которое можно использовать для полиморфного хранения.

Нормированный коэффициент остаточной намагниченности M _r / M _s в импульсном электрическом поле. а Изменение M _r / M _s в импульсных электрических полях ± 5 и ± 10 кВсм ⁻¹ вдоль направления [100] соответственно. б Изменение M _r / M _s в импульсном электрическом поле ± 5 и ± 10 кВсм ⁻¹ по направлению [01-1] соответственно. Заглавные буквы на этом рисунке обозначают различные состояния остаточной поляризации

Выводы

Таким образом, нелетучие магнитные свойства, опосредованные электрическим полем, в гетероструктуре CFA / PMN-PT исследованы при комнатной температуре. Полосатая доменная структура была получена путем измерения MFM в пленке CFA. Магнитная анизотропия модулировалась электрическим полем. Результат, измеренный с помощью VSM с углом поворота, демонстрирует опосредованное пьезостандартом энергонезависимое вращение легкой магнитной оси на 90 ° при –0 и + 5 кВ · см ⁻¹ . Кроме того, опосредованное пьезостандартом энергонезависимое стабильное перемагничивание в двух направлениях наблюдается в положительных и отрицательных импульсных электрических полях, которые могут использоваться для магнитного накопления [32, 33].

Сокращения

CFA:

Со ₂ FeAl

DC:

Постоянный ток

FM / FE:

Ферромагнетик / сегнетоэлектрик

ME:

Магнитоэлектрический

MFM:

Магнитно-силовая микроскопия

PMN-PT:

Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ -30% PbTiO ₃

VSM:

Магнитометр с вибрационным образцом