Adv. Funct. Mater.封面文章：西安交大在自旋電子器件研究上取得新進展

【引言】

隨著自旋電子學的巨磁阻（GMR）與隧道磁阻（TMR）效應被廣泛應用于各類商業磁性存儲器中，各種新型自旋電子學器件，如稀磁半導體、磁性隨機存取存儲器、自旋場效應晶體管、自旋發光二極管等也得到了廣泛的研究。然而目前人們對于自旋的調控，更多是借助電流和磁場，這使得自旋電子元器件存在能耗大、體積大、熱量高等缺點，而用磁場調控自旋方向也容易影響相鄰區域的自旋，增加了系統出錯率。因此，如何用更加能效的方式來調控電子自旋成為開發新一代自旋電子器件的挑戰之一。

【成果簡介】

磁振子學作為現代自旋電子學的一項新興發展的研究方向，其能夠通過自旋波的形式傳播和處理信息，從而使得信息的傳播和存儲能更加高效和便捷。這其中如何以能效的方式控制自旋波的激發便是一項重要的研究目標。

西安交通大學電信學院劉明教授課題組利用脈沖激光沉積法在PMN-PT(001)襯底上外延生長了La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜，系統表征了其外延結構、磁性、鐵磁共振特性以及自旋波變化特性。根據界面或表面處的不同邊界條件，將導致La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜中激發不同的自旋波共振模式（Spin wave，由磁性物質中局域自旋之間的交換作用耦合而形成的，將自旋擾動以自旋波形式傳播），包括表面自旋波模式、體自旋波模式以及均一模式，因此，界面條件的變化將導致磁性薄膜中產生不同的自旋波模式，而且可以通過改變異質結的界面條件來調控其自旋波的動態變化，可以達到電場原位調控自旋波的目的。此外，隨著磁場與薄膜表面夾角的變化，磁性薄膜中的三種模式的自旋波會出現相互轉換，只有在臨界角處才會出現均一模式的自旋波；隨著溫度的改變，自旋波的模式也會出現變化。在電場的調控下，La_0.7Sr_0.3MnO₃/PMN-PT (001)異質結中界面應變會發生變化，從而可以引起自旋波出現的臨界角的變化，實現對自旋波激發和消失兩種狀態的調控。最后，一種新的自旋-晶格耦合模型被提出來解釋電場調控自旋波的實驗現象，該模型認為電場引起的晶格應變可以導致磁性薄膜中自旋交換耦合系數的變化，從而引起自旋波的變化，其理論分析與實驗結果十分吻合。該新型自旋-晶格耦合模型所引起的自旋動力學調控將為能效型磁子學器件的開發提供理論平臺。

【圖文導讀】

圖1 自旋波激發與調控的原理示意圖

(a)?不同外磁場角度下的表面各向異性參量A，其決定了LSMO薄膜中的自旋波共振模式；

(b) 在LSMO/PMN-PT多鐵異質結中通過電場調控自旋-晶格耦合，進而調控自旋波的原理示意圖。

圖2 LSMO/PMN-PT多鐵異質結的結構和磁性表征

(a) LSMO/PMN-PT多鐵異質結的高分辨XRD圖譜；

(b) 溫度為300?K和193 K時測得的LSMO/PMN-PT多鐵異質結的磁滯回線，其中外加磁場沿面內方向。

圖3?自旋波共振模式隨外磁場角度的依賴關系

(a) 溫度為193 K時LSMO/PMN-PT多鐵異質結中自旋波的共振場和相對強度隨角度的變化關系；

(b) 鐵磁共振譜在外磁場角度和大小面上的等高線圖，其顯示了自旋波共振的相圖。譜圖上標定了表面自旋波消失的臨界角度，相圖上標出了不同自旋波共振模式的相區間。

圖4 自旋波共振模式隨溫度的依賴關系

鐵磁共振譜在溫度和外磁場大小面上的等高線圖，其顯示了LSMO/PMN-PT多鐵異質結中面外方向自旋波共振的相圖，溫度測試的步長是5?K。譜圖上標定了表面自旋波出現的臨界溫度，相圖上標出了不同自旋波共振模式的相區間。

圖5?電場調制自旋波激發

溫度為193 K時LSMO/PMN-PT多鐵異質結中通過電場調制臨界角附近的自旋波，自旋波共振隨電場的變化趨勢已經在圖中標出。

圖6 電場通過自旋-晶格耦合調制自旋波位移

(a)和(b)分別為自旋波共振譜在193 K和223 K時隨外加電場的變化關系，外加磁場垂直于薄膜表面。

(c)和(d)分別為(a)和(b)中藍色虛線框部分的局部放大圖。箭頭反映了自旋波共振隨外加電場的變化趨勢，第一個體自旋波和表面自旋波在電場為0 kV/cm和20 kV/cm之間的變化量已經在圖中給出。

(e)溫度為193 K時面外方向一階自旋波共振場H_D1和自旋波勁度系數隨電場的變化關系，自旋波勁度系數由文中的公式(10)推出。

【總結與展望】

該工作利用多鐵復合材料耗能低、響應快、便于集成等優點，運用電壓脈沖來實現對于自旋的調控，進一步提升了自旋電子元器件的整體性能，為新型磁電自旋器件的設計和研發打下了基礎。該成果在外延多鐵異質結中利用電子順磁共振技術研究界面條件對自旋波共振模式的影響，通過電場對界面應變的調控實現了對自旋波共振模式以及自旋波變化的臨界角的調控，并提出了新型的自旋-晶格耦合模型來解釋電場調控自旋波的實驗現象，為利用電場調控電子自旋的進一步研究提供了實驗和理論依據。

該成果已在材料科學領域知名期刊Advanced Functional Materials上在線發表，題為“Modulation of Spin Dynamics via Voltage Control?of Spin-Lattice Coupling in Multiferroics”，并被選為期刊封面文章。該文第一作者是西安交通大學電信學院博士生朱明敏，通訊作者為劉明教授、周子堯教授以及任巍教授。該工作得到中組部“青年千人”項目、國家自然科學基金面上及重點項目等支持。

文章鏈接：Modulation of Spin Dynamics via Voltage Control of Spin-Lattice Coupling in Multiferroics (Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605598)

西安交通大學劉明教授課題組鏈接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu

本文由西安交通大學電信學院朱明敏博士投稿，材料牛編輯曉fire編輯整理。