西交大Advanced Materials：電場可調低功耗可穿戴自旋電子器件

鋼鐵俠 5年前 (2018-05-27) 4856瀏覽

【引言】

作為 21 世紀最為熱門的新型材料之一，柔性電子材料及衍生器件因其所具備的柔韌性，便攜性，可穿戴性，已經成為發展功能材料和器件的尖端領域，引起了學術界和工業界的高度關注，也是未來微電子產業的重要發展方向之一。柔性電子材料和器件主要是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術，它具有獨特的延展性、對于曲面環境的可適應性以及低成本而高效的制造工藝。柔性電子材料和器件在國防、能源、信息、醫療等領域具有廣泛的應用前景，如實現生物與數字世界之間的無縫連接。2000 年，美國《科學》雜志將柔性電子技術進展列為當年世界十大科技成果之一，與生物克隆技術、人類基因組技術等重大科學突破并列。歐美日等發達國家陸續制定了針對柔性電子材料的重大研究計劃，例如美國FDCASU 計劃、歐盟第七框架計劃中PolyApply 和SHIFT 計劃和日本TRADIM計劃等。然而柔性自旋電子器件的研究卻仍然局限于其磁性調控方式，因為傳統的磁鐵調控方式具有體積龐大、高功耗、高熱量、響應慢等缺點，嚴重制約了柔性自旋器件的實際應用。

針對目前柔性自旋研究領域的磁性有效調控問題，基于磁電耦合效應的新型自旋電子技術提供了一種新的思路。基于離子液體的磁電耦合方式由于可以在多種襯底上利用電荷或晶格在納米尺度范圍內對自旋進行重構，預示了其在有效調控磁性方面有巨大的應用前景。盡管如此，離子液體的調控方式在柔性材料中會面臨滲漏問題而無法工作。考慮到柔性磁電材料中材料與功能的復雜性，以及其與傳統電子元器件系統整合時所面臨的困難，使得低功耗、微型化、超快響應的柔性磁電器件的研發極具挑戰性。如何將磁電耦合現象與柔性磁器件結合起來，如何用電場實現柔性磁器件的自旋動態調控成為一個亟待解決的問題。

【成果簡介】

近日，西安交通大學電信學院“青年千人”劉明教授課題組研究了基于電場調控的柔性自旋電子器件，并實現了磁疇翻轉的可視化觀測。該成果嘗試將磁電耦合效應從平面研究推廣到柔性曲面研究，將柔性自旋電子和磁電復合技術結合，具有突破性的意義。第一性原理計算證實離子膠對人工反鐵磁的耦合類型調控是由于電壓改變了鐵磁層的費米能級并進一步改變層間耦合能所致。柔性基底上電場可控的反鐵磁-鐵磁轉變迎合了當前磁性器件的功能需求，因而該成果將為新一代可穿戴，低功耗，快響應，易集成柔性電子元器件的制備與研發打下堅實基礎。

【圖文導讀】

圖1不同基底的(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂人工反鐵磁實物圖片及其基本磁性表征

(a)Kapton (I)和云母上(II)呈彎曲態的(Pt 9 ?/ Co 7.5 ?)₂ / Ru (0.95nm)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)₂ / Ta(3.5nm)人工反鐵磁。右圖III顯示的是離子膠(IG)； (b)和(c)是(Pt / Co)₂ / Ru /(Co / Pt)₂ / Ta / Mica人工反鐵磁的磁滯回線Ru厚度依賴特性； (d-i)在極性MOKE模式下觀察到的(Pt 9 ? / Co 7.5 ?)₂ / Ru(10.3 ?)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)₂ / Ta(3.5nm)/Mica結構的垂直動態磁化反轉。(d-f)是磁場從-191 Oe降到-169 Oe所發生的第一次磁疇翻轉過程(↓↓至↑↓)；(g-i）是磁場從+456 Oe升到+477 Oe所發生的第二次磁疇翻轉過程(↑↓至↑↑)；(d)圖左上角插圖是磁疇翻轉過程相對應的磁滯回線；本工作的人工反鐵磁結構是(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂, 鐵磁、反鐵磁耦合類型可以通過調節Ru的厚度實現；所有測試均在室溫下完成；

圖2具有臨界反鐵磁耦合的柔性人工反鐵磁的應力測試

對于(Pt 9 ?/Co 7.5 ?)₂ /Ru(9.9 ?)/(Co 7.5 ? /Pt 9 ?)₂/Ta(3.5nm) /Kapton 人工反鐵磁在不同曲率下的(a)凹面彎曲和(b)凸面彎曲應力測試；三維插圖說明了彎曲測試的形狀變化和受力情況；(c)對Kapton上的t_Ru=9.9 ?人工反鐵磁進行重復的彎曲測試；對于(Pt 9 ?/Co 7.5 ?)₂/ Ru(1.03nm)/(Co 7.5 ? / Pt 9 ?)₂/Ta(3.5nm)/Mica 人工反鐵磁的(d)凹凸測試和(e)重復應力測試；我們在相對較大的柔性襯底上制備人工反鐵磁結構，用鋒利的剪刀將樣品切割成所需的尺寸/形狀。這樣，我們獲得了許多相同的小樣本，這確保了樣本的一致性以做不同的實驗；?

圖3 不同曲率下電壓對柔性人工反鐵磁的調控效應　

?(a) 平面狀態離子膠電場調控示意圖； (b) 曲率為1/5 mm^-1 (c) 曲率為1/3 mm^-1時的示意圖；裝置的結構可以表述為Au電極/離子膠/人工反鐵磁/基底；(d-f)是t_Ru=9.85 ?的人工反鐵磁在不同曲率下的電場調控作用；(g-i) 是t_Ru=9.9 ?的人工反鐵磁在不同曲率下的電場調控作用；外加磁場沿著磁易軸方向，即面外方向；結果顯示了在離子膠調控過程當中人工反鐵磁具有豐富的磁學行為，可以實現雙-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；對于9.9?具有臨界效應的人工反鐵磁，其對應力效應比9.85 ?更加敏感。

圖4 對離子膠調控人工反鐵磁中應力和電壓效應的討論

(a)典型的人工反鐵磁的彎曲效應，圖中磁滯回線顯示為Kapton基底上t_Ru=9.9 ?時的應力效應；在曲率為1/5 mm^-1和1/3 mm^-1時應力分別為71 MPa or 118 MPa；(b)離子膠調控過程中薄膜界面雙電層（Electric double layers, EDL）中離子聚集示意圖；(c)電壓調控下典型雙-三磁滯回線的轉換過程；所選取的人工反鐵磁t_Ru=9.85 ?； (d) 三回線是雙回線和單回線的疊加，圖中顯示了一種可能的分離方法；

圖5 電場調制(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂/Mica中磁疇翻轉

(a)平面狀態下 t_Ru = 0.99 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) 凹面狀態下t_Ru = 0.99 nm 時樣品的磁滯回線；(e-f) 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-f）所占比值，然后用磁化飽和時的值進行歸一化；

【總結與展望】

該工作系統研究了Au/IG/(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂ 柔性人工反鐵磁中離子膠對RKKY效應的電場調控作用，在不同曲率下均得到了雙-三回線間的轉換。此外，本工作實現了電控磁疇的可視化研究并且進一步證實了對于費米面電子密度起決定作用的磁性系統而言，IG電壓調控磁性十分奏效。該成果在電路電壓下實現了對柔性自旋電子的高效控制，為新一代可穿戴，低功耗，快響應，易集成柔性電子元器件的制備與研發打下堅實基礎。

該成果以“Ionic Gel Modulation of RKKY Interactions in Synthetic Anti-Ferromagnetic Nanostructures for Low Power Wearable Spintronic Devices”為題，在材料科學領域國際知名期刊Advanced Materials（IF=19.79）上線發表。該研究成果是由博士生楊曲在西安交大電信學院博士生導師劉明教授和周子堯教授共同指導下完成的，西安交通大學電信學院為該論文的唯一單位。這是劉明教授團隊在電控磁領域繼2018年Nat. Commun.，Adv. Mater.，ACS Nano后的又一重大突破。該工作得到了國家自然科學基金重點、面上及西安交大基本科研業務費的支持。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201800449

本工作介紹視頻：