近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李曉光教授課題組與清華大學(xué)南策文院士及美國賓州州立大學(xué)陳龍慶教授合作，在多鐵性異質(zhì)結(jié)逆磁電耦合研究方面實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)調(diào)控的非易失180º磁翻轉(zhuǎn)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上，中國科大物理系博士生楊盛瑋為論文的第一作者。
傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)需要用磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，使得存儲(chǔ)單元的體積和能耗相對(duì)較大。隨著對(duì)器件小型化、多功能化以及低能耗的要求越來越高，需要發(fā)展同時(shí)具有兩種或兩種以上功能的新材料，研制能實(shí)現(xiàn)多種功能的新型器件。多鐵材料同時(shí)具有鐵磁和鐵電等多種鐵性有序以及獨(dú)特的磁電耦合效應(yīng)，可以通過電場(chǎng)調(diào)控磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制，突破自旋電子學(xué)的瓶頸，有助于器件小型化和多功能化，為后摩爾時(shí)代電子技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。然而普通的單相多鐵材料的磁電耦合非常弱，且普遍僅存在于低溫范圍，無法實(shí)際應(yīng)用。通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，多鐵異質(zhì)結(jié)可以在室溫下通過電場(chǎng)操控磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。
通常情況下電控磁一般表現(xiàn)為易失的效應(yīng)，外加電場(chǎng)撤去后磁變化無法保持，不利于信息存儲(chǔ)等。即使是非易失的電控磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，也還存在許多問題，比如操作復(fù)雜，非易失效應(yīng)分布不均勻且僅存在于異質(zhì)結(jié)的極少數(shù)區(qū)域。所以，如何在大范圍內(nèi)對(duì)磁矩取向?qū)崿F(xiàn)非易失的電場(chǎng)調(diào)控仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。
針對(duì)該研究瓶頸，研究人員設(shè)計(jì)了一種Co/PMN-PT多鐵性異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，通過巧妙的設(shè)計(jì)電極化結(jié)構(gòu)，有效排除了傳統(tǒng)電極化結(jié)構(gòu)中鐵電場(chǎng)效應(yīng)的影響，為電場(chǎng)控制的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)提供了可觀的面內(nèi)應(yīng)變。通過控制電極化，使得壓應(yīng)變引起的磁彈各向異性與Co薄膜的界面磁各向異性競(jìng)爭(zhēng)，即使無外加磁場(chǎng)，也可以在室溫下通過電場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)90º甚至180º的非易失磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電場(chǎng)控制的三阻態(tài)自旋閥存儲(chǔ)器原型，以及電場(chǎng)控制的單刀雙擲開關(guān)和兩輸入端的三態(tài)門等邏輯器件。該項(xiàng)研究成果不僅揭示了多鐵異質(zhì)結(jié)中電場(chǎng)控制磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)制，而且在較大范圍內(nèi)利用電場(chǎng)調(diào)控進(jìn)行了180º磁翻轉(zhuǎn)的操作，為無需外加磁場(chǎng)的磁矩翻轉(zhuǎn)提供了新的研究思路。
此項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部“973”計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
