Электрическое управление нелетучим магнетизмом в гетероструктурах Co₂FeAl / PMN-PT при комнатной температуре

Аннотация

Мы демонстрируем, что полуметаллический гейслеров сплав Co₂FeAl, осажденный на пьезоэлектрическом подложке Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃ (PMN-PT), проявляет нелетучие, индуцируемые электрическим полем изменения в своих магнитных свойствах при комнатной температуре. Применяя импульсные электрические поля вдоль кристаллических осей [100] и [01–1], мы достигаем двух устойчивых гигантских реманентных состояний намагниченности, сохраняющихся после снятия поля. Эффект обусловлен большим пьезодеформациями в слое PMN-PT, предлагая жизнеспособный путь для магнетоэлектрических память устройств.

Введение

Растущий спрос на высокоскоростные, малоэнергопотребляющие и нелетучие носители информации стимулировал интерес к магнетоэлектрическому (МЭ) сопряжению в ферромагнит/ферроэлектрик (ФМ/ФЭ) гетероструктурах. МЭ-сопряжение возникает преимущественно через три механизма: пьезодеформацию, заряд и обменное смещение. В частности, пьезодеформационный эффект позволяет приложенному электрическому полю генерировать деформацию в ферроэлектрическом слое, которая в свою очередь модулирует магнитную анизотропию смежного ферромагнетика. PMN-PT с большим пьезоэлектрическим коэффициентом d₃₃ широко используется как ферроэлектрический компонент, так как его деформация может эффективно передаваться на магнитную пленку. Co₂FeAl (CFA), полуметаллический гейслеров сплав, привлекателен как ФМ благодаря низкому затуханию, высокой спиновой поляризации и температуре Кюри выше 1000 К, что делает его идеальным для спинтронных приложений. Предыдущие работы показывали, что индуцированная электрическим полем деформация может вращать магнитную легкую ось в ФМ/ФЭ бислоях, но четкая демонстрация нелетучего, обратимого управления намагниченностью при комнатной температуре оставалась недостижимой. В этом исследовании мы заполняем этот пробел, показывая, что CFA/PMN-PT (011) гетероструктура сохраняет два различных реманентных состояния намагниченности после снятия электрического поля — признак нелетучей работы, подходящей для памяти.

Методы

Гетероструктура состоит из 40 нм пленки CFA, распыленной на (011)-ориентированном подложке PMN-PT. DC магнетронное распыление проводили при 600 °C под давлением Ar 0,1 Па (10 SCCM). Основное давление составляло 2 × 10⁻⁵ Па. Платновые электроды (10 нм верхний, 50 нм нижний) осаждали с мишени 2 мм. Медные провода припаивали к электродам с проводящим клеем. Статические магнитные свойства измеряли вибрирующим образцовым магнетометром (VSM, MicroSense EV9) при приложении DC напряжения от источника Keithley 2410 к пьезоэлектрическому слою. Магнитные доменные изображения получали магнитной силовой микроскопией (MFM) с системой Asylum Research© MFP-3D с мягкими магнитными наконечниками, намагниченными перпендикулярно плоскости образца. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

CFA/PMN-PT гетероструктура изображена на Рис. 1а, с вплоскостной системой координат на Рис. 1б. Эффективное индуцируемое электрическим полем деформационное поле (Hσ) ортогонально полю магнитной анизотропии (Hk). Определяем направление [100] как 0° и [01–1] как 90° (см. Рис. 1б). Петля поляризация-электрическое поле (P-E, 1 Гц) и кривая деформация-электрическое поле (S-E) PMN-PT, измеренные ферроэлектрическими и деформационными датчиками, представлены на Рис. 1в, раскрывая насыщенную поляризацию ≈25 мкКл/см² и коэрцитивное поле ≈100 В (2,5 кВ/см). MFM изображения после снятия поля 1000 Ое (Рис. 1г) показывают полосчатую доменную структуру, указывающую на сильную перпендикулярную магнитную анизотропию. Гистерезисные петли, измеренные вдоль [100] и [01–1] под электрическими полями ±0 и ±5 кВ/см (Рис. 2а), подтверждают четкую вплоскостную анизотропию. Легкая ось лежит вдоль [100] в реманентном поляризованном состоянии (−0 кВ/см), в то время как 90° вращение происходит при поляризации подложки до +5 кВ/см (Рис. 2б). Анизотропия исчезает в состоянии +0 кВ/см (Рис. 2в) и снова появляется вдоль [100] при переключении поля на –5 кВ/см (Рис. 2г). Вращательные VSM измерения (Рис. 2д) показывают, что относительная реманентная намагниченность (Mr/Ms) следует синусоидальной зависимости от азимутного угла, с легкой осью, вращающейся на 90° при изменении электрического поля. Зависимость реманентной намагниченности от электрического поля исследовали путем развертки E от +10 до –10 кВ/см после размагничивания образца (Рис. 3а,в). Полученные бабочкообразные кривые Mr/Ms зеркалят поведение деформация-E, подтверждая, что деформация доминирует в управлении намагниченностью. Резидуальная намагниченность в реманентном поляризованном состоянии (±0 кВ/см) отличается от той после ±10 кВ/см, отражая внутреннее остаточное напряжение подложки PMN-PT. Для демонстрации нелетучего управления применяли импульсные электрические поля ±5 или ±10 кВ/см, пока образец сначала насыщали при 1200 Ое, затем приводили к нулевому полю (Рис. 4). Полученные значения Mr/Ms (обозначены A–H) показывают четыре различных устойчивых состояния, сохраняющихся после снятия импульса, как вдоль [100], так и [01–1]. Это многосостоянное поведение иллюстрирует потенциал пьезодеформационно-управляемой памяти для полиморфных устройств.

Заключение

Мы показали, что CFA/PMN-PT гетероструктура проявляет нелетучее, индуцируемое электрическим полем модуляцию магнитной анизотропии и реманентной намагниченности при комнатной температуре. Полосатая доменная структура, наблюдаемая MFM, и 90° вращение легкой оси под ±5 кВ/см подтверждают пьезодеформационное управление. Более того, импульсные электрические поля генерируют четыре устойчивых реманентных состояния, открывая путь к многоуровневым магнетоэлектрическим память устройствам.

Аббревиатуры

CFA

Co₂FeAl

DC

Постоянный ток

FM/FE

Ферромагнит/ферроэлектрик

ME

Магнетоэлектрический

MFM

Магнитная силовая микроскопия

PMN-PT

Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–30%PbTiO₃

VSM

Вибрирующий образцовый магнетометр