復相多鐵材料中電場調控自旋的翻轉

王敦輝，楊艷婷，曹慶琪，都有為

(1.南京大學 物理學院，江蘇 南京 210093;2.南京大學固體微結構國家重點實驗室，江蘇 南京 210093)

0 引言

電場對磁性的調控，又稱為逆磁電效應，因其在傳感器、高密度信息存儲以及磁電子學等方面的潛在應用而受到人們廣泛的關注［1-2］.目前在復相多鐵材料中，逆磁電效應主要表現(xiàn)為外電場對磁矩大小、磁晶各向異性、自旋翻轉、磁疇和磁電阻等行為的調控.其中，電場對自旋翻轉的調控不但有利于減少能源損耗，而且同時提高了存儲密度［3-5］，所以在“電寫—磁讀”式的新型信息存儲技術中具有重要的科學意義.在復相多鐵材料中，利用電場對材料矯頑力的調控有望能實現(xiàn)電場調控的自旋翻轉［6-8］.

到目前為止，復相多鐵材料中電場對磁性的調控從機制上可以分為三類［9］:第一，應力調控機制.這種機制是指在具有壓電效應的鐵電材料和具有磁致伸縮效應的鐵磁材料所組成的鐵磁/鐵電復合材料中，通過界面應力的傳遞，最終實現(xiàn)電場對磁有序的調控.其磁電耦合系數(shù)可以表述為［6］:

從上面公式可以得出，只要選擇具有大磁致伸縮系數(shù)的鐵磁層和優(yōu)異壓電特性的鐵電層，就能在應力調控的復相多鐵材料中取得較大的磁電耦合效應.第二，交換偏置機制.這種機制是指在單相多鐵材料上生長鐵磁薄膜，利用單相多鐵材料的鐵電性與反鐵磁性的磁電耦合以及鐵磁與反鐵磁的界面耦合實現(xiàn)電場對磁性的調控.第三，界面電荷調制.這種機制是指利用電場調控磁性薄膜中載流子的富集或耗散進一步影響交換作用，從而實現(xiàn)對磁性的調控.

近年來，利用應力傳導機制的磁電耦合效應一直是國際上的研究熱點.由于在室溫下，具有壓電特性和磁致伸縮特性的材料廣泛存在，材料方便制備和獲得，同時也容易在室溫條件下獲得大的磁電效應.所以通過鐵磁/鐵電兩相之間的應力/應變傳遞來實現(xiàn)的磁電耦合效應，具有良好的發(fā)展前景［6，9］.

1 實驗部分

將CoPt和MnNiSn合金作為鐵磁層，PMN-PT作為壓電層，制備了磁電復合材料.采用振動樣品磁強計(VSM，Microsense EV7)和超導量子干涉儀(SQUID，Quantum Design MPMS XL-7)對樣品磁電耦合性能進行表征，電壓源由電表(Keithley2410)提供.

2 結果與討論

在以應力傳導機制為媒介的復相多鐵材料中，采用電場來調控磁化強度大小變化相對容易，但是利用電場來控制自旋翻轉的報道還相對較少.我們選取具有大磁致伸縮系數(shù)二元合金CoPt、鐵磁形狀記憶合金(FSMA)作為鐵磁層，選取具有優(yōu)異壓電特性的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)作為壓電層，制備了鐵磁/鐵電復相多鐵材料.在該類材料中，利用電場調控的矯頑力(HC)或偏置場(HE)的變化，實現(xiàn)了電場調控的自旋翻轉.

圖1是鐵磁/鐵電復相多鐵材料中，不同電場下的M-H曲線變化示意圖.曲線1、2和3分別對應著E=0、正向電場和反向電場的M-H曲線.由于施加不同方向的電場，壓電材料分別輸出張應變和壓應變，從而對材料的磁各向異性產生不同的影響.從圖1中可以看出，對壓電襯底加正向電場或反向電場后，磁性層的HC可以相應地增大或減小.利用電場對矯頑力的調控，在該材料中可以實現(xiàn)電場調控的自旋翻轉.

圖1 鐵磁/鐵電復相多鐵材料在不同電場下的M-H曲線示意圖

圖2 (a)CoPt/PMN-PT異質結在不同電場下的M-H曲線;(b)臨界場為167 Oe時電場調控的自旋翻轉

圖2(a)是在CoPt/PMN-PT異質結中，當磁場平行于異質結表面時不同電場下的M-H曲線.在正向電場作用下，CoPt矯頑力由零電場時的HC(0)=147 Oe的增大到HC(E)=185 Oe，增大了26%.如果在HC(0)和HC(E)之間選擇一個合適的點HC(X)，滿足HC(0)＜HC(X)＜HC(E)的條件.在這點撤掉電場后，可以實現(xiàn)磁矩由正到負符號的變化;當磁場反向時，撤掉電場也會實現(xiàn)電場調控的磁矩由負到正的變化.為了實現(xiàn)這一電場調控自旋翻轉的過程，我們選擇臨界場HC(X)=－167 Oe，如圖2(b)所示.當異質結在正向電場作用下到達該臨界場時，突然撤掉電場，磁矩發(fā)生了從A點到B點的躍變，其符號由正變負，即電場調控的自旋翻轉［10］.當磁場從－1000 Oe經過零磁場到達臨界場167 Oe時，根據(jù)類似的原理，也可以實現(xiàn)電場調控的自旋由負到正的翻轉.這種翻轉不是簡單的磁矩數(shù)值大小的變化，而是其符號發(fā)生了改變.

在上述應力傳導為媒介的鐵磁/鐵電復相多鐵材料中，電場調控自旋翻轉是通過矯頑力變化來實現(xiàn)的，但是它需要借助偏置磁場(Hbias)的輔助才能完成，從而給器件設計帶來了不便［11］.下面我們將介紹如何利用電場調控的交換偏置效應來實現(xiàn)無偏置磁場下的電控自旋翻轉.

我們在高錳含量的鐵磁形狀記憶合金Mn50.1Ni39.3Sn10.6(Mn-Ni-Sn)中，通過增加其反鐵磁交換作用的成份，利用低溫時反鐵磁和鐵磁耦合的共存，獲得了較大的交換偏置場［12］.有文獻報道稱應力可以對鐵磁形狀記憶合金中的磁交換作用產生影響［13］.利用鐵磁形狀記憶合金這一特殊的性質，我們以PMN-PT作為壓電層，制備了Mn-Ni-Sn/PMN-PT復合材料，研究了以應力為媒介情況下電場調控的交換偏置效應.

圖3(a)和(b)是不同溫度下經過正向和負向磁場冷卻后不同電場下Mn-Ni-Sn鐵磁形狀記憶合金的M-H曲線.通過給壓電體施加電場，其產生的應力傳導到Mn-Ni-Sn合金上，影響了反鐵磁和鐵磁的界面耦合，從而使Mn-Ni-Sn磁性能發(fā)生明顯的變化.從圖中看以看到，在電場作用下，Mn-Ni-Sn合金的M-H曲線沿外磁場方向平移，HE大小也發(fā)生了改變，同時伴隨HC及飽和磁化強度的變化.電場調控的交換偏置效應是應力影響了合金的Mn-Mn間距以及鐵磁反電磁界面處磁矩的相對排列所致［14-16］.利用圖3(b)所示的電控交換偏置結果，我們可以在零偏置磁場時實現(xiàn)電場調控的自旋翻轉.

圖3 通過加某一電場X后，Mn-Ni-Sn鐵磁形狀記憶合金在不同溫度(T1和T2)的交換偏置、矯頑力及飽和磁化強度發(fā)生明顯變化

圖4 利用電場調控交換偏置效應在無偏置磁場時實現(xiàn)電場調控自旋翻轉的示意圖

圖4為利用電場調控交換偏置效應在無偏置磁場時實現(xiàn)電場調控自旋翻轉的示意圖.圖4(a)是沿負外磁場冷卻后所表現(xiàn)出的偏置效應.利用電場調控的交換偏置效應，我們在M1點對該材料施加電場，磁化強度將由M1點立刻跳變到M2點，磁化強度符號由負變正，如箭頭所示.換句話說，我們可以在無偏置磁場的條件下就實現(xiàn)了電場調控的自旋翻轉.類似地情況下，沿正外磁場冷卻，也可以實現(xiàn)電場調控的由負到正的自旋翻轉，如圖4(b)所示.該結果有望在低能耗、高密度存儲等領域有一定的應用價值［17］.

3 結論

我們制備了CoPt/PMN-PT異質結，室溫時表現(xiàn)出較強的磁電耦合.利用電場調控的矯頑力變化，實現(xiàn)了電場調控的自旋翻轉.在高錳鐵磁形狀記憶合金MNS/PMN-PT復合材料中，矯頑力和偏置場在電場作用下均發(fā)生明顯的變化.利用電場調控的偏置場變化，可以在無偏置磁場的條件下實現(xiàn)電場調控的自旋翻轉.該結果可以在低能耗、高密度的新型存儲器件中有一定的應用.

［1］W.Eerenstein，N.D.Mathur，J.F.Scott.Multiferroic and magnetoelectric materials［J］.Nature，2006，442:759 ～765.

［2］M.Bibes，A.Barthélémy.Towards a magnetoelectric memory［J］.Nature Mater.，2008，7:425 ～426.

［3］N.A.Spaldin，S.W.Cheong，R.Ramesh.Multiferroics:Past，present，and future［J］.Phys.Today，2010，63:38 ～43.

［4］R.Ramesh，N.A.Spaldin.Multiferroics:progress and prospects in thin films［J］.Nature Mater.，2007，6:21 ～29.

［5］G.Srinivasan.Magnetoelectric Composites［J］.Annu.Rev.Mater.Res.，2010，40:153 ～ 178.

［6］C.W.Nan，M.I.Bichurin，S.X.Dong，et al.Multiferroic magnetoelectric composites:Historical perspective，status，and future directions［J］.J.Appl.Phys.，2008，103:031101-1 ～35.

［7］Y.J.Chen，T.Fitchorov，C.Vittoria，et al.Electrically controlled magnetization switching in a multiferroic heterostructure［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，97:052502-1～3.

［8］D.Chiba，M.Yamanouchi，F(xiàn).Matsukura，et al.Electrical Manipulation of Magnetization Reversal in a Ferromagnetic Semiconductor［J］.Science，2003，301:943 ～945.

［9］C.A.F.Vaz.Electric field control of magnetism in multiferroic heterostructures［J］.J.Phys.:Condens.Matter，2012，24:333201-1 ～29.

［10］Y.T.Yang，Q.M.Zhang，D.H.Wang，et al.Electric field control of magnetic properties in CoPt/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3heterostructure at room temperature［J］.Appl.Phys.Lett.，2013，103:082404-1 ～ 4.

［11］S.Dong，J.Zhai，J.Li，et al.Near-ideal magnetoelectricity in high-permeability magnetostrictive/piezofiber laminates with a(2-1)connectivity［J］.Appl.Phys.Lett.，2006，89:252904-1 ～3.

［12］H.C.Xuan，Q.Q.Cao，C.L.Zhang，et al.Large exchange bias field in the Ni－ Mn － Sn Heusler alloys with high content of Mn［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，96:202502-1 ～3.

［13］S.Y.Chen，D.H.Wang，Z.D.Han，et al.Converse magnetoelectric effect in ferromagnetic shape memory alloy/piezoelectric laminate［J］.Appl.Phys.Lett.，2009，95:022501-1 ～3.

［14］P.J.Brown，A.P.Gandy，K.Ishida，et al.The magnetic and structural properties of the magnetic shape memory compound Ni2Mn1.44Sn0.56［J］.J.Phys.:Condens.Matter，2006，18:2249 ～2259.

［15］J.Kubler，A.R.Williams，C.B.Sommers.Fortnation and coupling of magnetic moments in Heusler alloys［J］.Phys.Rev.B，1983，28:1745 ～1755.

［16］S.Y.Yu，Z.X.Cao，L.Ma，et al.Realization of magnetic field-induced reversible martensitic transformation in NiCoMnGa alloys［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，91:102507-1 ～3.

［17］Y.H.Chu，L.W.Martin，M.B.Holcomb，et al.Electric-field control of local ferromagnetism using a magnetoelectric multiferroic［J］.Nature Mater.，2008，7:478 ～482.