多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中逆磁電耦合效應(yīng)的研究進(jìn)展?

陳愛(ài)天1)2)? 趙永剛1)3)?

1)(清華大學(xué)物理系,低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

2)(物理科學(xué)與工程部,阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué),圖瓦23955-6900,沙特阿拉伯王國(guó))3)(量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100084)(2018年7月2日收到;2018年7月15日收到修改稿)

1 引 言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,高存儲(chǔ)密度、快速讀寫(xiě)和超低功耗的高性能存儲(chǔ)器件成為信息化發(fā)展的迫切需求[1],因而引起了眾多研究者的關(guān)注,成為目前最活躍的研究領(lǐng)域之一.傳統(tǒng)信息存儲(chǔ)依托磁性材料,用巨磁電阻效應(yīng)或隧道磁電阻效應(yīng)讀取信息,信息寫(xiě)入則采用電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)或自旋轉(zhuǎn)移力矩等[2,3].當(dāng)前信息寫(xiě)入過(guò)程中電流發(fā)熱、高功耗等阻礙了器件小型化.用電場(chǎng)或電壓來(lái)代替電流寫(xiě)入信息不產(chǎn)生電流或產(chǎn)生極低電流,能夠有效地降低功耗.近年來(lái),多鐵性材料(multiferroics)的興起提供了電場(chǎng)調(diào)控磁性的途徑,為磁電耦合注入了新的活力[4?7],對(duì)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都具有重要意義,因其新奇的物理現(xiàn)象和潛在的巨大應(yīng)用前景,迅速成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.

多鐵性材料是指同時(shí)具有兩種或兩種以上鐵性的材料[8].所謂“鐵性”是物質(zhì)中原子或離子由于它們的相互作用而存在的某種自發(fā)序參量,它們?cè)谀承﹨^(qū)域中大致按同一方向排列,形成自發(fā)的有序結(jié)構(gòu),且這種序參量能被外加驅(qū)動(dòng)場(chǎng)所調(diào)控并表現(xiàn)出回滯行為.鐵性主要有鐵磁性、鐵電性、鐵彈性和鐵渦性[9,10].多鐵性材料中,多種鐵性能夠直接或間接地發(fā)生相互作用,這種相互耦合使彼此相互調(diào)控成為可能[8].這為各種序參量的外場(chǎng)調(diào)控提供了新的自由度和方向,對(duì)于基礎(chǔ)研究和器件應(yīng)用都具有重要意義.一般電極化和磁化強(qiáng)度只能分別由電場(chǎng)和磁場(chǎng)調(diào)控,而多鐵性材料中鐵電性和磁性的共存和耦合,為電場(chǎng)調(diào)控磁性和磁場(chǎng)調(diào)控電極化提供了可能[11].尤其是電場(chǎng)調(diào)控磁性[12?15],由于其在信息存儲(chǔ)中可以通過(guò)電場(chǎng)寫(xiě)入信息從而有效降低功耗,受到了人們的廣泛關(guān)注.

根據(jù)多鐵性材料中鐵磁相和鐵電相是否在空間同一相里共存,可以從大的方面把多鐵性材料分成兩類(lèi)體系:一類(lèi)是單相多鐵性材料,另一類(lèi)是復(fù)合多鐵性材料[8].由于鐵磁、鐵電性起源的互斥性,單相多鐵材料比較稀少[16],并且具有磁電耦合系數(shù)小、工作溫度低等缺點(diǎn).而把兩種或兩種以上單一“鐵性”的材料人為地結(jié)合在一起形成的復(fù)合多鐵性材料[17,18]能夠在室溫下得到大的磁電耦合效應(yīng)而得到研究者的青睞,其中鐵電/鐵磁多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖1(a))易于制備、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到廣泛研究.多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)這幾年的迅速發(fā)展,已取得眾多成果,其電場(chǎng)調(diào)控磁性的機(jī)理主要有三種:界面電荷調(diào)制機(jī)理、交換偏置機(jī)理和應(yīng)力媒介機(jī)理[19,20].其中應(yīng)變媒介磁電耦合由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、選材廣泛而成為現(xiàn)在多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的主要方向,并且其磁電耦合效應(yīng)大、室溫操作等特點(diǎn)也為實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路[13,14,17,21].如圖1(b)所示,以應(yīng)力為媒介的磁電耦合主要涉及鐵電體的逆壓電效應(yīng)和鐵磁體的逆磁致伸縮效應(yīng).鐵電材料在外加電場(chǎng)作用下,會(huì)通過(guò)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變,這種應(yīng)變能夠傳遞到鐵磁層,通過(guò)逆磁致伸縮效應(yīng)使鐵磁層的磁性狀態(tài)發(fā)生改變,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控.理論上磁電耦合系數(shù)與鐵電體壓電系數(shù)和鐵磁體磁致伸縮系數(shù)密切相關(guān),因此利用磁致伸縮系數(shù)大的鐵磁材料和壓電系數(shù)大的鐵電材料構(gòu)筑多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠得到顯著的磁電耦合效應(yīng),相應(yīng)的室溫材料很多,這就為多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了充足的選材空間.本文主要介紹基于應(yīng)力媒介的磁電耦合效應(yīng)在電場(chǎng)調(diào)控磁性、磁化翻轉(zhuǎn)和磁性隧道結(jié)方面的研究進(jìn)展.

圖1 (a)多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)應(yīng)變媒介磁電耦合效應(yīng)基本原理Fig.1.(a)Illustration of the multiferroic heterostructures combining ferromagnetic with ferroelectric materials;(b)schematic of electric-f i eld-controlled magnetism via strain-mediated magnetoelectric coupling.

2 電場(chǎng)調(diào)控磁性

應(yīng)變媒介磁電耦合的多鐵異質(zhì)中,鐵電材料一般選取具有優(yōu)良?jí)弘娦阅芎痛髩弘娤禂?shù)的鐵電體,其中新型弛豫型鐵電體鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3,PMN-PT)因具有獨(dú)特的機(jī)電特性和豐富的疇結(jié)構(gòu)[22]而被廣泛用于復(fù)合多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中.磁性材料以Ni[23],Co[24],CoFeB[25,26]等磁致伸縮系數(shù)大的軟磁材料為主.PMN-PT(001)和(011)取向在多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中普遍應(yīng)用,接下來(lái)分別予以介紹.

2.1 PMN-PT(001)襯底的電場(chǎng)調(diào)控磁性行為

一般而言,電場(chǎng)導(dǎo)致鐵電體產(chǎn)生的是揮發(fā)性應(yīng)變,也就是在零電場(chǎng)時(shí)只有一種應(yīng)變狀態(tài),沒(méi)有剩余應(yīng)變[22],因此相應(yīng)的電場(chǎng)調(diào)控多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁性行為也具有易失性,例如在PMN-PT(001)上生長(zhǎng)CoFe2O4[27]和La0.7Sr0.3MnO3[28],電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控都顯示了蝶形(butterf l y)行為,這不利于磁存儲(chǔ)等實(shí)際應(yīng)用,研究人員也在努力尋找新的電場(chǎng)非易失調(diào)控磁性行為.

Zhang等[26]意識(shí)到鐵電疇在電場(chǎng)調(diào)控磁性中的重要作用,將20 nm非晶態(tài)CoFeB薄膜生長(zhǎng)在PMN-PT(001)襯底上(圖2(a)),觀察到了電場(chǎng)對(duì)磁性的顯著的非易失性調(diào)控.這一現(xiàn)象不能用界面電荷機(jī)理來(lái)解釋,因?yàn)榻缑骐姾傻挠绊懛秶挥袔讉€(gè)納米[29].圖2(b)顯示了極化電流和[110]方向磁化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的變化,可以看到磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)回滯(looplike)行為,在零電場(chǎng)下有兩個(gè)穩(wěn)定的磁化狀態(tài),表明這是一種電場(chǎng)非易失性調(diào)控磁性,相對(duì)變化在25%左右.并且磁化強(qiáng)度在極化電流峰值附近變化劇烈,極化電流峰值來(lái)源于矯頑電場(chǎng)附近鐵電疇翻轉(zhuǎn),這說(shuō)明磁性的非易失性調(diào)控與鐵電疇的翻轉(zhuǎn)密切相關(guān).

圖2 (a)CoFeB/PMN-PT復(fù)合多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)及加電場(chǎng)的示意圖;(b)磁化強(qiáng)度和極化電流隨電場(chǎng)的變化(1 emu/cm3=103A/m)[26]Fig.2.(a)Scheme of the CoFeB/PMN-PT multiferroic heterostructures and experimental conf i guration;(b)dependence of magnetization and the corresponding polarization current on electric f i eld(1 emu/cm3=103A/m)[26].

PMN-PT具有菱方對(duì)稱(chēng)性,自發(fā)極化沿著立方晶胞的體對(duì)角線(xiàn)[111]方向,并沿著此方向稍稍拉長(zhǎng),從而成為一種“贗立方”結(jié)構(gòu).如圖3(a)所示,PMN-PT(001)有四種畸變結(jié)構(gòu)(r1,r2,r3和r4)和八個(gè)極化方向(r1±,r2±,r3±和r4±).值得注意的是,這種贗立方結(jié)構(gòu)在(001)面內(nèi)的投影是菱方形的,其在[110]和[1ˉ10]方向上的長(zhǎng)度不一樣,也就是r1/r3和r2/r4的晶格常數(shù)有所差異.鐵電疇翻轉(zhuǎn)有71?,109?和180?三種方式.當(dāng)鐵電疇在r1和r3或者r2和r4之間翻轉(zhuǎn)時(shí)構(gòu)成71?翻轉(zhuǎn);而鐵電疇在同一對(duì)角線(xiàn)翻轉(zhuǎn)為180?翻轉(zhuǎn),比如r1+和r1?之間的變化;r1/r3和r2/r4之間的鐵電疇翻轉(zhuǎn)則導(dǎo)致109?翻轉(zhuǎn).這三種鐵電疇的翻轉(zhuǎn)方式也被壓電響應(yīng)力顯微鏡(piezoresponse force microscopy,PFM)的結(jié)果所證實(shí)[26].如圖3(b)所示,r1/r3和r2/r4晶格常數(shù)的差異使不同的鐵電疇翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同的應(yīng)變行為.對(duì)于71?和180?的鐵電疇翻轉(zhuǎn),正負(fù)電場(chǎng)并未引起菱形畸變的方向發(fā)生變化,然而當(dāng)在鐵電極化翻轉(zhuǎn)的瞬間,其晶胞發(fā)生一定的形變[30],鐵電疇翻轉(zhuǎn)前后應(yīng)力狀態(tài)一樣,是一種易失性行為,對(duì)應(yīng)的是蝶形(butterf l y)行為的應(yīng)變.而對(duì)于109?的鐵電疇翻轉(zhuǎn),自發(fā)極化在(001)面內(nèi)的分量經(jīng)歷了90?旋轉(zhuǎn),使菱方畸變的長(zhǎng)軸方向在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90?,這樣正負(fù)電場(chǎng)下具有不同的應(yīng)變狀態(tài)為非易失性應(yīng)變,表現(xiàn)為回滯(looplike)行為,這也被隨后的應(yīng)變實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[31].Yang等[31]在PMNPT(001)上粘貼應(yīng)變片,通過(guò)連續(xù)和脈沖電場(chǎng)的測(cè)量方法,分離出蝶形(butterf l y)型易失性和回滯(looplike)型非易失性?xún)煞N不同的應(yīng)變.這些結(jié)果表明電場(chǎng)非易失性調(diào)控磁性來(lái)源于109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)引起的非易失性應(yīng)變.

圖3 (a)PMN-PT(001)鐵電極化示意圖;(b)71?/180?和109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)引起的晶格畸變;(c)—(f)不同電場(chǎng)下PMN-PT晶體(113)衍射峰的RSM結(jié)果[26]Fig.3.(a)Schematic of the polarization orientations for PMN-PT(001);(b)correlation between domain switching and distortion;(c)–(f)the ref l ections of RSM around the(113)peak at dif f erent electric f i elds[26].

為了定量給出109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)的比例,Zhang等[26]采用原位電場(chǎng)下的倒空間衍射(reciprocal space mapping,RSM)技術(shù),從晶格的角度,對(duì)樣品鐵電疇翻轉(zhuǎn)以及相應(yīng)的畸變和應(yīng)變進(jìn)行了定量表征.圖3(c)—(f)給出了PMN-PT(001)的(113)衍射峰不同電場(chǎng)下的RSM結(jié)果.從整體上看,加?8 kV/cm電場(chǎng)和?0 kV/cm 的圖樣(圖3(c)和圖3(d))具有很大的相似性,同樣+8 kV/cm(圖3(e))和+0 kV/cm的圖樣(圖3(f))也基本相同,而正負(fù)電場(chǎng)下的圖樣卻具有很大的差別,這表明其非易失性.定量分析給出負(fù)極化狀態(tài)下r2/r4的比例從4%變?yōu)檎龢O化狀態(tài)下的30%,26%的變化量也與圖1(b)中25%的磁性變化相符合.Yang等[31]則發(fā)現(xiàn)在正負(fù)電場(chǎng)下r2/r4比例不變的PMN-PT晶體中沒(méi)有非易失性應(yīng)變.這些結(jié)果進(jìn)一步表明109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)是產(chǎn)生電場(chǎng)非易失性調(diào)控磁性的原因.Zhang等[32]把非晶CoFeB換作多晶Fe薄膜,研究了不同磁場(chǎng)和角度下電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控行為,同樣得到了電場(chǎng)非易失性調(diào)控磁性.Liu等[33]研究了不同成分的PMN-PT對(duì)電場(chǎng)調(diào)控磁性的影響.

圖4 (a)—(c)不同鐵電疇翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電場(chǎng)調(diào)控磁性行為[35]Fig.4.(a)–(c)Dif f erent behaviors of magnetization under electric f i elds for dif f erent ferroelectric domain switchings[35].

通過(guò)以上分析可以得知71?/180?和109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)分別對(duì)應(yīng)蝶形(butterf l y)和回滯(looplike)應(yīng)變,可以預(yù)期其對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控應(yīng)分別為易失性和非易失性.但是在宏觀連續(xù)鐵磁薄膜樣品中很難把二者區(qū)分開(kāi),需要具有空間分辨能力的表征手段.Li等[34]利用掃描克爾顯微技術(shù)對(duì)CoFeB/PMN-PT(001)多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,觀察到不同區(qū)域的電場(chǎng)調(diào)控磁性行為,其應(yīng)和鐵磁層下面的鐵電疇狀態(tài)密切相關(guān).最近,Ba等[35]進(jìn)一步把CoFeB光刻成為直徑10μm的盤(pán)狀結(jié)構(gòu),通過(guò)分辨率更高(大約10 nm)的掃描電子顯微鏡的極化分析(scanning electron microscopy with polarization analysis)來(lái)研究不同磁盤(pán)的磁矩在電場(chǎng)下的變化,其結(jié)果如圖4所示.磁性對(duì)電場(chǎng)的反應(yīng)主要有三種.1)如圖4(a)所示,撤去+8 kV/cm后的 +0 kV/cm 下, 磁矩指向 [ˉ110]/[1ˉ10]方向, 而施加?8 kV/cm后的?0 kV/cm時(shí),磁矩則旋轉(zhuǎn)90?指 向[110]/[ˉ1ˉ10] 方 向, 旋 轉(zhuǎn) 磁場(chǎng) 光 克 爾 效 應(yīng)(magnetic-optical Kerr ef f ect using a rotating f i eld,Rot-MOKE)也表明其易磁化軸發(fā)生了90?旋轉(zhuǎn),呈現(xiàn)非易失性;2)如圖4(b)所示,±0 kV/cm下磁化狀態(tài)基本沒(méi)有變化,易磁化軸沒(méi)有旋轉(zhuǎn),呈現(xiàn)易失性;3)如圖4(c)所示,±0 kV/cm下磁化狀態(tài)發(fā)生改變,但旋轉(zhuǎn)角度小于90?.結(jié)合PFM測(cè)量及以上分析,類(lèi)型 1)對(duì)應(yīng)109?鐵電疇翻轉(zhuǎn),而類(lèi)型2)對(duì)應(yīng)71?/180?鐵電疇翻轉(zhuǎn).對(duì)于類(lèi)型3),其磁盤(pán)下面71?/180?和109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)共存,部分磁矩發(fā)生旋轉(zhuǎn).這樣就在微觀尺度對(duì)CoFeB/PMNPT(001)多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析,揭示了鐵電疇翻轉(zhuǎn)對(duì)電場(chǎng)調(diào)控磁性的重要影響,這為多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了思路和方法.

2.2 PMN-PT(011)襯底的電場(chǎng)調(diào)控磁性行為

面外(011)取向的PMN-PT是另一種普遍使用的鐵電單晶襯底.Wu等[23]利用PMN-PT(011)實(shí)現(xiàn)了非易失性應(yīng)變. 圖5(a)給出了PMNPT(011)的電滯回線(xiàn),呈現(xiàn)很好的回滯行為,其矯頑電場(chǎng)大約為2 kV/cm.圖5(b)給出了PMNPT(011)沿x軸和y軸的應(yīng)變曲線(xiàn),x軸和y軸分別代表PMN-PT的晶向[100]和[01ˉ1].當(dāng)施加雙極性對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)±8 kV/cm時(shí),其應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng),在零電場(chǎng)下只有一種應(yīng)變狀態(tài),為易失性應(yīng)變.y方向的應(yīng)變?cè)诔C頑電場(chǎng)附近有兩個(gè)峰,這來(lái)源于鐵電極化在矯頑電場(chǎng)附近從面外轉(zhuǎn)到面內(nèi),這是一種亞穩(wěn)態(tài),當(dāng)電場(chǎng)超過(guò)矯頑電場(chǎng)時(shí),鐵電極化重新翻轉(zhuǎn)到面外,應(yīng)變迅速減小.如圖5(a)所示,電場(chǎng)從正掃描到負(fù),在接近矯頑電場(chǎng)時(shí),電極化很小,如果不再繼續(xù)增大電場(chǎng),而是反向減小電場(chǎng)到零,這種電極化很小的狀態(tài)能夠保持,直到電場(chǎng)超過(guò)矯頑電場(chǎng)而使鐵電疇的電極化重新翻轉(zhuǎn)到面外.通過(guò)這種非對(duì)稱(chēng)的電場(chǎng)極化,在零電場(chǎng)下,PMN-PT可以有兩種極化狀態(tài):8 kV/cm降到零時(shí)鐵電疇面外極化和?1.6 kV/cm降到零時(shí)鐵電疇面內(nèi)極化.這意味著圖5(b)中y方向的應(yīng)變峰值能夠保持而出現(xiàn)非易失性應(yīng)變.不出所料,圖5(b)給出了不對(duì)稱(chēng)正負(fù)電場(chǎng)?1.6—8 kV/cm下沿x和y方向的應(yīng)變曲線(xiàn),可以看出應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)回線(xiàn)行為,在零電場(chǎng)下有兩種應(yīng)變狀態(tài),是一種非易失應(yīng)變.Wu等[23]在PMN-PT(011)上生長(zhǎng)Ni薄膜,利用這種非易失應(yīng)變得到了電場(chǎng)對(duì)Ni磁滯回線(xiàn)的非易失性調(diào)控.這種非易失應(yīng)變也被用來(lái)調(diào)控微波特性[36]、Verwey轉(zhuǎn)變[37]、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變[38]等.

圖5 (a)鐵電極化隨外加電場(chǎng)的變化;(b)不同電場(chǎng)范圍沿x軸和y軸的應(yīng)變曲線(xiàn)[23]Fig.5.(a)Dependence of out-of-plane electric displacement on electric f i eld;(b)in-plane piezostrains along the x and y directions[23].

圖6 (a)CoFeB/PMN-PT(011)中不同電場(chǎng)下的磁滯回線(xiàn);(b)0和17.5 kV/cm電場(chǎng)時(shí)Rot-MOKE測(cè)量結(jié)果[25]Fig.6.(a)Magnetic hysteresis loops under electric f i elds measured along the[100]direction for CoFeB/PMN-PT(011);(b)polar diagram of the uniaxial anisotropy energy for 0 and 17.5 kV/cm measured by Rot-MOKE[25].

基于PMN-PT的各向異性應(yīng)變,Zhang等[25]在CoFeB/PMN-PT(011)結(jié)構(gòu)中得到了顯著的電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控,其調(diào)控相對(duì)變化達(dá)到83%.圖6(a)是在[100]方向不同電場(chǎng)下的磁滯回線(xiàn).電場(chǎng)從0到10 kV/cm,再到20 kV/cm變化時(shí),磁滯回線(xiàn)有明顯變化,飽和磁場(chǎng)從最初未加電場(chǎng)時(shí)的約20 Oe(1 Oe=103/(4π)A/m)一直增加到約500 Oe,磁滯回線(xiàn)也由“方形”逐漸傾斜變?yōu)椤氨庑巍?這表明在電場(chǎng)作用下,CoFeB的易磁化軸發(fā)生了變化. 為了更清晰地反映易磁化軸的變化,Zhang等[25]測(cè)量了不同電場(chǎng)下的Rot-MOKE行為.圖6(b)給出了單軸各向異性能隨角度的分布,可以看出0 kV/cm時(shí)易磁化軸指向0?([100方向]),而在17.5 kV/cm時(shí),易磁化軸旋轉(zhuǎn)90?,指向[01ˉ1]方向. 這種易磁化軸的旋轉(zhuǎn)可由應(yīng)變誘導(dǎo)的磁彈各向異性能進(jìn)行解釋.應(yīng)變誘導(dǎo)y軸方向的等效磁彈各向異性場(chǎng)[39]可表示為:式中λ和Y 分別為鐵磁薄膜磁致伸縮系數(shù)和楊氏模量,εx和εy分別是PMN-PT(011)沿x軸和y軸方向的應(yīng)變.CoFeB磁致伸縮系數(shù)為正,因而應(yīng)變誘導(dǎo)的易磁化軸指向y軸使其發(fā)生90?旋轉(zhuǎn).

2.3 電場(chǎng)調(diào)控垂直磁各向異性材料

垂直磁各向異性材料能夠提高磁存儲(chǔ)密度,增加熱穩(wěn)定性,對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義[40].在多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,對(duì)于面內(nèi)磁各向異性材料研究較多,而垂直磁各向異性材料則較少涉及.Kim等[41]在CoPd/PMN-PT(001)中通過(guò)調(diào)節(jié)CoPd合金的比例和薄膜厚度得到了電場(chǎng)對(duì)CoPd合金垂直磁各向異性的調(diào)控.Yu等[42]在PMN-PT(001)襯底上生長(zhǎng)了Ta/CoFeB/MgO結(jié)構(gòu),利用鐵磁共振(ferromagnetic resonance,FMR)對(duì)樣品在不同電場(chǎng)下的共振曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量,研究了應(yīng)變對(duì)具有垂直磁各向異性CoFeB的影響,但應(yīng)變對(duì)其影響較小.Shirahata等[43]將Cu/Ni多層膜生長(zhǎng)在BaTiO3上,由于Cu/Ni多層膜垂直磁各向異性來(lái)源于磁彈效應(yīng),其對(duì)應(yīng)變比較敏感,在電場(chǎng)下Cu/Ni多層膜的易磁化軸從面外旋轉(zhuǎn)到面內(nèi).最近,有多篇關(guān)于電場(chǎng)調(diào)控Co/Pt多層膜體系的報(bào)道[44?47].Sun等[45]和Peng等[47]通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)Co薄膜厚度,在Co/Pt多層膜自旋重取向轉(zhuǎn)變附近,通過(guò)原位電場(chǎng)的FMR測(cè)量,分析了電場(chǎng)對(duì)界面垂直磁各向異性的影響.電場(chǎng)對(duì)垂直磁各向異性材料的研究方興未艾,為多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)注入了新的活力.

3 電場(chǎng)調(diào)控磁化翻轉(zhuǎn)

作為電場(chǎng)調(diào)控磁性的一個(gè)重要目標(biāo)——電場(chǎng)調(diào)控磁化翻轉(zhuǎn)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題.對(duì)于單相多鐵性材料[48]和[49],可以分別在2和150 K下觀察到電場(chǎng)調(diào)控磁化翻轉(zhuǎn),但遠(yuǎn)低于室溫的工作溫度,離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離.Heron等[50]在DyScO3襯底上依次生長(zhǎng)了BiFeO3和CoFe薄膜,對(duì)BiFeO3薄膜垂直加電壓,利用X射線(xiàn)磁圓二色性光發(fā)射電子顯微鏡測(cè)量,加電壓前后觀察到了180?磁化翻轉(zhuǎn).這源于電壓誘發(fā)BiFeO3鐵電疇71?和109?兩次極化翻轉(zhuǎn)[51],通過(guò)BiFeO3和CoFe界面耦合,CoFe磁矩發(fā)生相應(yīng)的變化而導(dǎo)致180?翻轉(zhuǎn).進(jìn)而在BiFeO3上生長(zhǎng)CoFe/Cu/CoFe自旋閥結(jié)構(gòu),得到了完全的電場(chǎng)調(diào)控巨磁電阻.Zhou等[52]使用FMR技術(shù)在此結(jié)構(gòu)中得到了類(lèi)似結(jié)果.但BiFeO3在反復(fù)加電壓過(guò)程中離子遷移會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地氧化鐵磁層CoFe,破壞界面耦合[50].

圖7 (a)鐵電襯底上生長(zhǎng)交換偏置結(jié)構(gòu)樣品示意圖;(b)0和8 kV/cm下交換偏置場(chǎng)的角度依賴(lài)行為;(c)當(dāng)釘扎方向與x軸有夾角時(shí)零磁場(chǎng)下磁矩取向;(d)加電場(chǎng)前后磁滯區(qū)域分離的磁化曲線(xiàn)[53]Fig.7.(a)Schematic of the sample combining exchanged-biased system with ferroelectric material;(b)angular dependences of exchange bias with 8 kV/cm on and o ff;(c)illustration of magnetization orientations at zero magnetic field under electric fields for optimized anisotropy con fi guration;(d)magnetic hysteresis loops under electric fields with separation of hysteresis region[53].

目前,鐵磁/鐵電多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)調(diào)控磁性的工作主要是電場(chǎng)對(duì)磁化強(qiáng)度大小的調(diào)控[23,25?28],而對(duì)于可逆磁化翻轉(zhuǎn)的電場(chǎng)調(diào)控雖然有很多嘗試,但依然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題.例如Yang等[24]在Co/PMN-PT(001)中,對(duì)PMNPT面內(nèi)加電場(chǎng),在H=3 Oe偏置磁場(chǎng)下,利用PMN-PT極化電流產(chǎn)生的微小磁場(chǎng)得到了單次磁化翻轉(zhuǎn),但是在電場(chǎng)作用下翻轉(zhuǎn)后的磁矩?zé)o法重新回到初始磁化狀態(tài).近年來(lái),在鐵電襯底上生長(zhǎng)鐵磁/反鐵磁交換偏置體系來(lái)研究電場(chǎng)調(diào)控磁性已有相關(guān)報(bào)道[54?57].應(yīng)變媒介磁電耦合中交換偏置體系的引入,結(jié)合了應(yīng)變機(jī)理和交換偏置,為電場(chǎng)調(diào)控磁化翻轉(zhuǎn)提供了新的思路.例如Liu等[54]在FeMn/FeGaB體系中得到了交換偏置的電場(chǎng)調(diào)控和電場(chǎng)對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的不可逆調(diào)控.最近,Chen等[53]將IrMn/CoFeB交換偏置結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在PMNPT(011)襯底上(圖7(a)),通過(guò)調(diào)節(jié)CoFeB厚度改變交換偏置大小,使單向磁各向異性能與應(yīng)變誘導(dǎo)的單軸磁各向異性能相匹配.在電場(chǎng)作用下引入的應(yīng)變引起了交換偏置體系中單向磁各向異性能和單軸磁各向異性能的競(jìng)爭(zhēng),通過(guò)測(cè)量不同角度下的磁滯回線(xiàn),得到了電場(chǎng)對(duì)交換偏置的顯著調(diào)控(圖7(b)).同時(shí),在某些角度實(shí)現(xiàn)了加電場(chǎng)前后磁滯回線(xiàn)回滯區(qū)域的分離,從而實(shí)現(xiàn)了磁化翻轉(zhuǎn).進(jìn)一步優(yōu)化樣品結(jié)構(gòu),如圖7(c)所示,將樣品交換偏置釘扎方向與[100]方向形成一個(gè)夾角,從而在電場(chǎng)作用下使磁化曲線(xiàn)的磁滯區(qū)域分離(圖7(d)),最終得到了零磁場(chǎng)下電場(chǎng)對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的可逆調(diào)控.但這種磁化翻轉(zhuǎn)不是180?磁化翻轉(zhuǎn).

在單純應(yīng)變媒介磁電耦合中,由于電場(chǎng)不能打破時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性,理論上不能實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控180?磁化翻轉(zhuǎn),因此需要引入其他輔助因素[19,20],比如多方向應(yīng)變、形狀各向異性、雙軸磁各向異性材料等,理論上已經(jīng)有相關(guān)的探索.

在鐵電襯底的面內(nèi)加電壓可以產(chǎn)生沿電極連線(xiàn)方向的單軸應(yīng)變[58],這種單軸應(yīng)變的方向取決于面內(nèi)電極的位置,與鐵電材料的面內(nèi)取向無(wú)關(guān),因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)電極構(gòu)型來(lái)產(chǎn)生不同方向的應(yīng)變.利用這種應(yīng)變,一對(duì)電極能夠有效地調(diào)控磁性層磁矩旋轉(zhuǎn)[58,59],理論上在PMN-PT上設(shè)計(jì)多對(duì)電極結(jié)構(gòu),通過(guò)相鄰電極對(duì)的配合,能夠使磁矩實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)“接力”,從而有可能實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控180?磁化翻轉(zhuǎn)[60,61].Biswas等[62]在PMN-PT上設(shè)計(jì)兩對(duì)電極,利用磁力顯微鏡觀察到了部分Co磁性小島的磁矩發(fā)生了翻轉(zhuǎn).但是這種結(jié)構(gòu)需要面內(nèi)多對(duì)電極協(xié)同作用來(lái)加電壓調(diào)控一個(gè)磁性納米結(jié)構(gòu)的磁性,對(duì)于多個(gè)磁性納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控由于大量電極的引入不利于集成小型化.

另一方面,Wang等[63]在理論上設(shè)計(jì)了“花瓣形”納米磁體結(jié)構(gòu)(圖8(a)),其具有雙軸磁各向異性,易磁化軸沿著長(zhǎng)軸方向,鐵電層的應(yīng)變方向與納米磁體結(jié)構(gòu)的易磁化軸有一定的夾角(圖8(b)).如圖8(c)所示,每次施加一次應(yīng)變可以使磁矩旋轉(zhuǎn)90?,這樣通過(guò)電場(chǎng)誘導(dǎo)磁矩單方向連續(xù)的90?旋轉(zhuǎn)就可以得到電場(chǎng)非揮發(fā)調(diào)控180?磁化翻轉(zhuǎn).并且每個(gè)磁化狀態(tài)在形狀各向異性的作用下穩(wěn)定存在.Peng等[64]利用方形結(jié)構(gòu)也模擬了類(lèi)似結(jié)果.這種納米磁體結(jié)構(gòu)提高了樣品制作難度,同時(shí)也帶來(lái)了磁性表征方法上的挑戰(zhàn).另外納米尺度磁體磁性的電場(chǎng)調(diào)控與其下面的鐵電疇狀態(tài)密切相關(guān)[65],如何局域而精確地調(diào)控鐵電疇也是一個(gè)有待解決的問(wèn)題.

圖8 (a)“花瓣形”納米磁體結(jié)構(gòu)樣品示意圖;(b)易磁化軸與應(yīng)變方向有一夾角;(c)電場(chǎng)誘導(dǎo)磁矩連續(xù)的單方向90?旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)的原理[63]Fig.8.(a)Illustration of a f l ower-shaped nanomagnet grown on a ferroelectric substrate;(b)the noncollinear structure of the magnetic easy axis and the uniaxial piezostrain;(c)the mechanism of reversible 180? magnetization switching achieved through a series of continuous 90? switching[63].

4 電場(chǎng)調(diào)控磁性隧道結(jié)

傳統(tǒng)的自旋電子學(xué)器件如磁性隧道結(jié)等的調(diào)控都是通過(guò)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)或者自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3],由于電流發(fā)熱的影響,功耗較大.多鐵性材料的優(yōu)勢(shì)是用電場(chǎng)來(lái)調(diào)控磁性,能夠有效降低功耗.因此多鐵性材料和自旋電子學(xué)器件的結(jié)合是未來(lái)存儲(chǔ)和邏輯器件的一個(gè)有力競(jìng)爭(zhēng)者[66].

目前,多鐵性材料和磁性隧道結(jié)的結(jié)合有兩種方案,即鐵電材料作為勢(shì)壘的磁性隧道結(jié)[67?69]和生長(zhǎng)在鐵電襯底上的磁性隧道結(jié)[70?73].1)鐵電勢(shì)壘磁性隧道結(jié):電場(chǎng)通過(guò)改變鐵電極化調(diào)制界面磁性來(lái)調(diào)控隧道磁電阻.常用的鐵電勢(shì)壘薄膜有BaTiO3[68]和PbZr0.2Ti0.8O3[69]等.由于鐵電超薄膜很難保持鐵電性[21],這增加了制作難度,并且遠(yuǎn)低于室溫的工作溫度也限制了其實(shí)際應(yīng)用.2)鐵電/磁性隧道結(jié):得益于多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)調(diào)控磁性的蓬勃發(fā)展,把磁性隧道結(jié)生長(zhǎng)在鐵電材料上,利用應(yīng)變媒介磁電耦合效應(yīng)使自由層磁矩旋轉(zhuǎn),進(jìn)而對(duì)磁性隧道結(jié)進(jìn)行調(diào)控[70,71].Hu等[71]通過(guò)相場(chǎng)模擬,理論上預(yù)言了用這種結(jié)構(gòu)作為存儲(chǔ)單元的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)密度可達(dá)88 Gb/inch2,功耗可低至0.16 fJ/bit,同時(shí)寫(xiě)入時(shí)間不超過(guò)10 ns.這種高存儲(chǔ)密度、高速度、低功耗的存儲(chǔ)器件立刻引起了人們的廣泛關(guān)注.

在實(shí)驗(yàn)上,Li等[72]在PMN-PT(011)上生長(zhǎng)CoFeB/Al2O3/CoFeB磁性隧道結(jié).在外加電場(chǎng)的作用下,PMN-PT產(chǎn)生各向異性應(yīng)變并傳遞到磁性層,從而引起磁性層磁各向異性改變.在零磁場(chǎng)下,釘扎層磁化方向不變,鐵電層施加電場(chǎng)產(chǎn)生應(yīng)變導(dǎo)致自由層磁矩發(fā)生90?旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)了室溫零磁場(chǎng)下電場(chǎng)對(duì)磁性隧道結(jié)中磁化相對(duì)取向和隧道磁電阻的調(diào)控(圖9(a)).Zhao等[73]在PMNPT(001)上生長(zhǎng)CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)(圖9(b)),分別用面外和面內(nèi)加電壓的方法也得到了偏置磁場(chǎng)下隧道磁電阻的電場(chǎng)調(diào)控.但這都是易失性的調(diào)控,電場(chǎng)撤去之后,磁性隧道結(jié)的磁電阻狀態(tài)不能保持.室溫零磁場(chǎng)下電場(chǎng)對(duì)磁性隧道結(jié)的非易失性調(diào)控還未見(jiàn)報(bào)道,仍需進(jìn)一步研究.

圖9 電場(chǎng)對(duì)(a)CoFeB/Al2O3/CoFeB[72]和(b)CoFeB/MgO/CoFeB[73]磁性隧道結(jié)的易失性調(diào)控Fig.9.Volatile electric-f i eld manipulation of(a)CoFeB/Al2O3/CoFeB[72]和(b)CoFeB/MgO/CoFeB[73]magnetic tunnel junctions.

5 總結(jié)與展望

近年來(lái),因其巨大的應(yīng)用前景,應(yīng)力媒介磁電耦合效應(yīng)的研究一直是當(dāng)今材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.經(jīng)過(guò)多年的研究,在多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中取得了一系列重要的研究成果,得到了電場(chǎng)對(duì)磁性的顯著調(diào)控,但其依然面臨著一些問(wèn)題和挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步研究.

1)鐵電疇相關(guān)的電場(chǎng)調(diào)控磁性行為表現(xiàn)出新奇的特性,109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)能夠引起電場(chǎng)對(duì)磁性的非易失性調(diào)控.在微觀尺度,也得到了對(duì)電場(chǎng)調(diào)控磁性的空間分辨.但是如何控制不同類(lèi)型的鐵電疇翻轉(zhuǎn),增加109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)的比例,乃至在納米尺度精確得到109?鐵電疇翻轉(zhuǎn)尚不清楚.納米磁體磁性的電場(chǎng)調(diào)控與其下面的鐵電疇狀態(tài)密切相關(guān),如何局域而精確地調(diào)控鐵電疇也是一個(gè)有待解決的問(wèn)題.納米尺寸磁體結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)調(diào)控應(yīng)該是未來(lái)電場(chǎng)調(diào)控磁性研究的重要方向.

2)由于電場(chǎng)不能打破時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性,因此在應(yīng)變媒介磁電耦合中電場(chǎng)最多使鐵磁層磁矩旋轉(zhuǎn)90?,因此如何實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控磁矩180?翻轉(zhuǎn)還是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的難題.理論上電場(chǎng)調(diào)控“花瓣形”或“方形”納米磁體結(jié)構(gòu)的磁性來(lái)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控180?磁化翻轉(zhuǎn),本質(zhì)是電場(chǎng)誘導(dǎo)的單軸磁各向異性與納米磁體結(jié)構(gòu)的雙軸磁各向異性之間的競(jìng)爭(zhēng).因此利用具有雙軸磁各向異性的磁性材料[74,75]來(lái)代替特殊形狀的納米磁體結(jié)構(gòu)也有可能實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控磁化翻轉(zhuǎn).但如何利用雙軸磁各向異性的磁性材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控磁化翻轉(zhuǎn)還需要對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化.多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中具有雙軸磁各向異性的磁性材料的引入為電場(chǎng)調(diào)控180?磁化翻轉(zhuǎn)提供了新的思路.

3)現(xiàn)今多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中鐵電材料通常選取PMN-PT等單晶材料,所需要的電壓一般都比較大,這不利于與現(xiàn)在硅基電子學(xué)器件集成.近年來(lái),高性能的鐵電薄膜已經(jīng)有相關(guān)報(bào)道[76,77].Baek等[77]在Si(001)襯底上外延生長(zhǎng)了高質(zhì)量的PMN-PT薄膜,其具有優(yōu)良的鐵電性能.因此,在鐵電薄膜上生長(zhǎng)磁性材料研究電場(chǎng)調(diào)控磁性,能夠更好地與現(xiàn)有硅基電子學(xué)器件相結(jié)合,可以更快地使多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品化,但相關(guān)的研究還處于初步階段.這將是多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的重要方向和目標(biāo).

4)自旋軌道電子學(xué)[78?80]和斯格明子[81?83](skyrmion)是目前磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). 其與鐵電材料相結(jié)合,以應(yīng)變對(duì)其調(diào)控也已經(jīng)有相關(guān)探索.例如Cai等[84]在PMN-PT上制備Pt/Co/Ni/Co/Pt多層膜,得到了零磁場(chǎng)下電流調(diào)控垂直磁化翻轉(zhuǎn).理論上也有通過(guò)應(yīng)變媒介磁電耦合效應(yīng)來(lái)調(diào)控斯格明子的報(bào)道[85,86].多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中磁電耦合效應(yīng)與其他領(lǐng)域的交叉融合是一個(gè)新的發(fā)展方向,有利于拓寬磁電耦合效應(yīng)的應(yīng)用范圍,引入新的調(diào)控自由度.