西交大Nature子刊：通過離子液體調控人工反鐵磁材料中的RKKY效應

【引言】

反鐵磁自旋電子學是如今自旋電子領域的研究熱點。由于其具備優異的抗干擾性，高達THz的響應速度，良好的兼容性而受到廣泛關注。然而反鐵磁中的自旋反平行排列也使得其對外界磁場很不敏感，因而對反鐵磁磁性進行有效控制一直是一個難以解決的問題。目前常用的方式是基于自旋極化電流對其進行操作，然而這需要電流密度高達10⁶~10¹¹A/m²，因此該方式不僅會帶來散熱和能耗的問題，而且在實際應用中也是難以實現的。

【成果簡介】

近日，西安交通大學電信學院劉明教授團隊利用人工反鐵磁取代傳統反鐵磁材料，并通過離子液體調控其內部的Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida (RKKY) 效應。在具有面內磁易軸的FeCoB/Ru/FeCoB 和具有面外磁易軸(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂的人工反鐵磁中均在室溫下實現了低電壓調控鐵磁-反鐵磁耦合。在2.5 V的偏置電壓下，磁光克爾成像系統可以觀察到高達80%的電致磁疇翻轉。第一性原理計算得到的結果和實驗數據十分吻合。該理論證實了離子液體調控RKKY效應是電壓改變鐵磁層的費米能級進而改變人工反鐵磁中的層間耦合能所致。這項工作為低電壓實現可切換的鐵磁-反鐵磁自旋器件打下堅實基礎，并且也為深入理解離子液體調控磁性過程提供理論平臺。

【圖文導讀】

圖1 人工反鐵磁的微觀結構和基本磁性表征

(a) FeCoB (1.5 nm)/Ru (0.95 nm)/FeCoB (1.5 nm)的橫截面TEM圖片，II 是I的局部放大圖，可以清晰地看到層狀結構；II 中的比例尺是20 nm, I 中是5 nm；

(b)和(c) 是FeCoB (1.5 nm)/Ru (t_Ru)/FeCoB (1.5 nm)人工反鐵磁的磁滯回線Ru厚度依賴特性；單、雙回線分別對應鐵磁、反鐵磁耦合；

(d) (Pt 9 ?/Co 7.5 ?)₂/Ru (0.95 nm)/(Co 7.5 ?/Pt 9 ?)₂的橫截面TEM圖片，II 是I的局部放大圖，II中的比例尺是50 nm，I中是5 nm；

(e)和(f) 是(Pt 9 ?/Co 7.5 ?)₂/Ru (t_Ru)/(Co 7.5 ?/Pt 9 ?)₂人工反鐵磁的磁滯回線Ru厚度依賴特性；

(g-l) 在極性MOKE模式下觀察到的 (Pt 9 ?/Co 7.5 ?)₂/Ru (0.95 nm)/(Co 7.5 ? /Pt 9 ?)₂/Ta (3.5 nm)結構的垂直動態磁化反轉，比例尺50 μm；

(g-i) 是磁場從+1000降到0 Oe所發生的第一次磁疇翻轉過程；

(j-l) 是磁場從0降到-1000 Oe所發生的第二次磁疇翻轉過程；

(g) 圖左上角插圖是磁疇翻轉過程相對應的磁滯回線；所有測試均在室溫下完成。

圖2?離子液體調控FeCoB / Ru / FeCoB 人工反鐵磁中的RKKY效應

(a) 面內體系的離子液體調控示意圖；

(b-f) 電壓對RKKY效應的調控作用；圖中是對不同Ru厚度的樣品進行原位磁滯回線測量； 外加磁場沿著磁易軸方向，即面內方向；除了Ru厚度在改變以外，其余層的厚度與圖1一致。

圖3 電壓調控(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂ 人工反鐵磁中的RKKY效應　

(a) 面外體系的離子液體調控示意圖；

(b-i) 不同Ru厚度下電壓對RKKY效應的調控作用；外加磁場沿著磁易軸方向，即面外方向；結果顯示了在離子液體調控過程當中人工反鐵磁具有豐富的磁學行為，可以實現單-雙-三回線之間的轉換，表明人工反鐵磁可以實現鐵磁-反鐵磁耦合之間的轉變；除了Ru厚度在改變以外，其余層的厚度與圖1一致。

圖4 對離子液體調控RKKY效應的討論和總結

(a) 離子液體調控過程中薄膜界面雙電層（Electric double layers,EDL）中離子聚集示意圖；

(b) 典型雙-三磁滯回線的轉換及相應磁矩的變化；所選取的人工反鐵磁結構是FeCoB (1.5 nm)/Ru (0.92 nm)/FeCoB (1.5 nm) ；

(c)面內及(d)面外RKKY 調控效應相圖，總結了磁滯回線隨Ru厚度及外加電場的變化。

圖5 電場調制(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂中磁疇翻轉

(a) t_Ru = 0.92 nm 時樣品的磁滯回線；

(b)和(c)是該樣品在電壓為0v及4v時的磁疇圖；

(d) t_Ru = 0.9 nm 時樣品的磁滯回線；

(e-i) 是電壓變化所對應的磁疇變化圖；磁疇翻轉比例的確定：首先計算亮區（b，c）和暗區（e-i）所占比值，然后用磁化飽和時的值進行歸一化。

圖6 人工反鐵磁的層間交換耦合能仿真

(a) 仿真模型示意圖；在外加電壓的作用下鐵磁層（FM）的化學勢 (費米能) 會發生變化，紅線代表壓降；

(b)和(c) 分別代表CoFe(1.5 nm)/Ru(1.1 nm)/ CoFe (1.5 nm)和[Pt(0.88 nm)|Co(0.70 nm)]₂/Ru(0.88 nm)/[Co(0.70 nm)|Pt(0.88 nm)]₂人工反鐵磁中層間交換耦合能隨電壓的變化；其中x代表鐵磁和Ru界面的無序度，我們討論了5種情況；

(d)和(e) 代表電壓作用下CoFe (x=0.5)及Co|Pt (x=0.1)的布里淵區能量分布圖；紅色和藍色分別代表鐵磁和反鐵磁耦合。

【總結與展望】

該工作系統研究了Au/[AAIM]+[TFSI]-/FM/NM/FM人工反鐵磁中離子液體對RKKY效應的調控，在面內和面外系統中均實現了單-雙-三回線間的轉換。該成果僅需要≦4V的電壓就能實現鐵磁-反鐵磁耦合的調控，相對于高電流密度的調控方法，其更容易在電子設備中實現，從而為新型磁電自旋器件的設計和研發打下了基礎。此外，本工作實現了電控磁疇的可視化研究并且基于理論計算對電場調控RKKY效應的實驗現象進行解釋，為利用離子液體調控電子自旋的進一步研究提供了實驗和理論依據。

【鳴謝】

該成果已在綜合性知名期刊Nature Communications上在線發表，該項工作是西安交通大學電信學院博士生楊曲在導師劉明教授以及周子堯教授指導下完成的。西安交通大學電信學院電子材料與器件教育部重點實驗室為該論文的第一作者和通訊作者單位。材料學院閔泰千人團隊青年教師王蕾作為共同第一作者開展了第一性原理計算。北師大夏柯教授作為通訊作者也參與了本項研究工作。該研究工作是劉明教授團隊在電控磁領域繼2017年Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano后的又一重大突破。該研究得到了中組部“青年千人”項目、國家自然科學基金面上及重點項目等支持。劉明教授團隊主頁。

文章鏈接：Ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB/Ru/FeCoB and (Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂ multilayers (Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03356-z)

本文由西安交通大學劉明教授團隊供稿，特此感謝！

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