西安交通大學Advanced Materials:可用于電壓可調自旋電子學器件的離子調制重金屬/磁絕緣體雙層結構

cc 5年前 (2018-09-01) 4434瀏覽

【前言】

YIG是一種常用的磁性材料，它具有居里溫度高 (TC ≈650 K) ，阻尼常數低 (α ≈10?5), 自旋傳輸距離長(≈1 cm), 帶隙寬(Eg ≈2.85 eV)和一個鐵磁諧振(FMR)線寬窄(≈1 Oe)等優點。同時YIG也是一種理想的鐵磁絕緣體, 具有各種自旋電子效應, 包括spin-pumping, spin-Hall, spin-Seebeck和MPE效應等。最近研究者把大量精力投入在涉及重金屬和磁性金屬耦合的自旋軌道扭矩(SOT)研究，特別是在YIG/(重金屬)異質結構中實現了電流驅動SOT。然而美中不足的是，當前的研究工作還沒有討論界面磁電耦合效應如何影響YIG的性質，特別是Pt與YIG的耦合效應。如果Pt和YIG之間的界面特性可以通過電壓誘導費米能級位移，從而被局部電場改變，那么我們可以實現更快、更緊湊和更節能的電壓調制YIG相關自旋效應，從而進一步克服目前電流調控自旋的缺點。這種離子液體調控SOT的方法也為電壓可控自旋霍爾、自旋泵浦和SOT效應提供了一種新的選擇。

【成果簡介】

近日，來自西安交通大學的周子堯教授和劉明教授在Advanced Materials上發表文章，題為：Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage‐Tunable Spintronic Devices。作者在本研究中通過使用離子液體調控技術，在YIG/Pt雙層異質結構中實現了顯著的鐵磁諧振變化。在4.5伏特的小偏壓下，在YIG (13 nm)/Pt (3 nm)/(離子液體，IL)/(Au電容器)的異質結構中觀察到690 Oe的大鐵磁場位移。第一原理計算證實，該鐵磁共振場位移來自電壓誘導下Pt金屬層中未補償的d軌道電子費米面變化所引起額外鐵磁序。本發現為實現基于YIG的新型電壓可調自旋電子器件鋪平了道路。

【圖文導讀】

圖1. YIG/Pt的材料特性和MPE效應

a) GGG/YIG (35 nm)/Pt (3 nm) 樣品的XRD；

b) GGG/YIG (35 nm)/Pt (3 nm) 樣品的TEM圖像;

c) YIG (35 nm)/Pt (3 nm) (紅色三角形)和YIG (35 nm) (綠色正方形)樣品的室溫面內歸一化磁滯回線；

d)YIG (綠色)和YIG/Pt (紅色)樣品在室溫下的面內和面外ESR光譜；

圖2. 電場調控YIG/Pt樣品的磁響應

a) 離子液體調控過程的原位ESR測量示意圖；

b) YIG (35 nm)/Pt/IL/Au異質結構鐵磁共振長場的角度依賴性(橙色正方形=初始狀態；紅色圓圈= 4.5伏特)和室溫下電場調控鐵磁共振位移(藍色三角形)的角度依賴性；

c) YIG (13 nm)/Pt/IL/Au系統不同電壓下沿面外方向的FMR曲線；

圖3. 離子液體可調諧性的厚度和溫度依賴性

a) Pt沉積(紅色三角形)和YIG/Pt系統上的ILG (藍色正方形)，沿著-110°C的面外方向，FMR偏移的YIG厚度相關性；

b) 在YIG (13 nm)/Pt/IL/Au的-110°C溫度下，平面外離子液體誘導的FMR位移；

c) YIG (35 nm)/Pt/IL/Au沿面外(藍色正方形)和平面內(紅色圓圈)方向鐵磁共振場位移的溫度依賴性；

d) 室溫下沿面外方向YIG (35 nm)/Pt (3 nm)的可回復性測試；

圖4. YIG/Pt系統中ILG的第一原理計算

a) YIG/Pt/IL/Au系統示意圖；

b, c) 作為Pt0 (b)和Pt5+ (c)能量函數的狀態密度；

e, f) Pt0 (e)和Pt5+ (f)的d軌道自旋密度圖；

圖5. 基于YIG/Pt和YIG/ Pt/IL的微波響應裝置

a) 增加調控電壓與測量的Hr場關系；

b) 鉑離子磁性與電荷的關系；

c) 由磁場驅動的常規可調微波器件；

d )新型電壓調諧的YIG/Pt/IL微波器件；

【總結】

本文通過對YIG/Pt雙層結構中磁有序的離子調制，以及由此產生的鐵磁共振場位移，實現了使用離子液體的電壓可調YIG薄膜結構。其中電壓可調鐵磁共振場高達690 Oe，這比以前報道的結果大一個數量級。第一原理計算揭示出，電壓可調的鐵磁共振場變化來源于一種新的電場誘導Pt薄膜上的鐵磁序。離子液體可調的YIG/重金屬雙層結構具有很大的科學價值，并且該結構在新型電壓可調YIG微波器件和自旋電子器件中也將有廣泛的應用。

文獻鏈接：Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage‐Tunable Spintronic Devices, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201802902)

集成磁電材料與器件團隊是青年千人劉明教授2013年9月全職回國后組建的，是具有鮮明特色的交叉學科科研團隊，涉及電子科學與技術、材料學、物理學、等多個學科領域。團隊擁有4名教授，2名講師、2名專職科研博士后，20余名研究生。自團隊組建以來，先后承擔了國家重點研發計劃、國家基金委重點及面上、教育部聯合基金等國家級項目，發表論文100余篇。特別是自2017年以來，團隊以西安交通大學作為第一作者和通訊作者單位先后發表Nature Communications 1篇（被編輯選為亮點文章），Advanced Materials 4篇（其中2篇被選為內封面），Advanced Functional Materials 1篇?（被選為內封面），ACS Nano 4篇，研究成果得到了本學術領域的廣泛關注和高度評價。

文章匯總
NC一篇
Q. Yang, L. Wang, Z. Zhou*, S. Zhao, G. Dong, Y. Chen, T. Min, M. Liu*, Ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB/Ru/FeCoB and (Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2 multilayers， Nature Communication, 9, 991 (2018)
AM4篇
1. M. Guan, L. Wang, S. Zhao, Z. Zhou*, G. Dong, W. Su, T. Min, J. Ma, Z. Hu, W. Ren, Z.-G. Ye, C.-W. Nan, M. Liu*,Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage‐Tunable Spintronic Devices, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201802902)
2. Q. Yang, Z. Zhou*, L. Wang, H. Zhang, Y. Cheng, Z. Hu, B. Peng, and M. Liu*, Ionic Gel Modulation of RKKY Interactions in Synthetic Anti-Ferromagnetic Nanostructures for Low Power Wearable Spintronic Devices, Advanced Materials, 30, 1800449, (2018)
3. Shishun Zhao, Lei Wang, Ziyao Zhou*, Chunlei Li, Guohua Dong, Le Zhang, Bin Peng, Tai Min, Zhongqiang Hu, Jing Ma, Wei Ren, Zuo-Guang Ye, Wei Chen, Pu Yu, Ce-Wen Nan, Ming Liu*, Ionic-Liquid-Gating Control of Spin Reorientation Transition and Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy, Advanced Materials (2018, 12:e1801639.)
4. S. Zhao, Z. Zhou*, B. Peng, M. Zhu, M. Feng, Q. Yang, Y. Yan, W. Ren, Z-G Ye, Y. Liu, M. Liu*, “Quantitative Determination on Ionic Liquid Gating Control of Interfacial Magnetism” Advanced Materials, 29, 1606478 (2017) (Inside cover)
AFM1篇
M. Zhu, Z. Zhou*, B. Peng, S. Zhao, Y. Zhang, G. Niu, W. Ren*, Z-G Ye, Y. Liu, M. Liu*, “Modulation of spin dynamics via voltage control of spin-lattice coupling in multiferroics”, Advanced Functional Materials, 27, 1605598 (2017) (Inside cover)
ACS nano 4篇
1. Shishun Zhao, Ziyao Zhou* , Chunlei Li, Bin Peng, Zhongqiang Hu , and Ming Liu*，Low-Voltage Control of (Co/Pt)x Perpendicular Magnetic Anisotropy Heterostructure for Flexible Spintronics，ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.8b03097 (2018)
2. G. Dong, Z. Zhou*, M. Guan, X. Xue, M. Chen, J. Ma, Z. Hu, W. Ren, Z. Ye, C. Nan, M. Liu*, Thermal Driven Giant Spin Dynamics at Three-Dimensional Heteroepitaxial Interface in Ni0.5Zn0.5Fe2O4/BaTiO3-Pillar Nanocomposites, ACS Nano,12，3751-3758 (2018)
3. B. Peng, Z. Zhou*, T. Nan, G. Dong, M. Feng, Q. Yang, X. Wang, S. Zhao, D. Xian, Z.-D. Jiang, W. Ren, Z.-G. Ye, N. X. Sun, M. Liu*, “Deterministic Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy by Voltage Control of Spin Reorientation Transition in (Co/Pt)3/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 Multiferroic Heterostructures”, ACS Nano, 11, 4337-4345 (2017)
4. X. Xue, Z. Zhou*, G. Dong, M. Feng, Y. Zhang, S. Zhao, Z. Hu, W. Ren, Z.-G. Ye, Y. Liu, M. Liu*, “Discovery of Enhanced Magnetoelectric Coupling through Electric Field Control of Two-Magnon Scattering within Distorted Nanostructures”, ACS Nano, 11, 9286-9293 (2017)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu

分享到