半導體所王開友Nature Materials: 鐵磁鐵電雜化結構中電場誘導磁化轉向的電場控制

【引言】?

利用磁體進行信息記錄的器件都需要控制磁體的磁距，即使得磁體的磁矩翻轉（磁化反轉），從而實現 “0”和 “1” 的信息轉化。傳統的磁性隨機存取存儲器是利用外磁場來實現磁化反轉，磁場設備龐大復雜，給人帶來很多不便，另外耗能較高。具有高垂直反演非對稱性的重金屬/鐵磁體結構，當對其施加一個電流，其能產生相應的自旋電流，從而對磁化方向進行控制。基于該結構的磁性存儲設備，不需要外加磁場控制，引起了人們的廣泛關注。但現在這種利用自旋軌道矩磁性存儲設備的可控制性和可靠性都不高，這嚴重阻礙了其的應用，是厄待解決的問題。

【成果簡介】

近日，來自中科院半導體所王開友（通訊作者）等人制備一種鐵磁鐵電雜化結構材料，其能實現很好的電場誘導磁化轉向的電場控制，大大推動了利用自旋軌道矩磁性存儲設備的應用。

作者在PMN-PT襯底上濺鍍沉積Pt(4nm)/CoNiCo(0.4/0.2/0.4nm)/Pt(2nm)多層薄膜，從而制備出了這種鐵磁鐵電雜化結構材料。作者利用PMN-PT襯底產生電場來控制鐵磁鐵電雜化結構中鐵磁中的自旋軌道距，從而實現了在沒有外磁場的條件下對磁化反轉的控制。而且通過調節施加在PMN-PT襯底上的電場可以完成對磁化方向的控制，從而賦予了這種材料可編譯的功能，在PMN-PT襯底上的電場與傳統磁性隨機存取存儲器中的外磁場作用相同。作者還通過宏自旋計算和微磁學模擬證明了電場可以讓CoNiCo鐵磁體中產生額外的自旋軌道距。

作者發現和設計的這種材料在自旋電子存儲器和邏輯設備中有巨大的應用潛力，大大推動了鐵磁鐵電雜化結構材料的發展。

【圖文導讀】

圖1? 器件結構的原理圖和器件中電流轉向的測量

（a）器件的結構。霍爾交叉處沿側向方向寬度為8μm,為了探測霍爾電壓，橫向方向寬度設計為2μm。CoNiCo/Pt點是直徑為3μm的圓形物。插圖是沉積的堆疊的橫截面圖，綠色的箭頭代表的是Co/Ni/Co容易轉向的磁軸。

（b）器件在垂直方向磁場下反常霍爾電阻回路圖。

（c）在Hx =+3 Oe和Hx =-3 Oe的面內磁場下，依據反常霍爾效應探測到的電流誘導磁化轉向。

（d）在沒有面內磁場的條件下，電流誘導確定的磁化轉向。

圖2? 無外磁場條件下電流脈沖誘導的磁化轉向的電場控制

? （a）測量的裝備原理圖。施加于PMN-PT襯底的電場方向沿x軸，兩個電極之間的距離為1mm。在電流反轉測量的過程中，施加于PMN-PT襯底的電場是撤掉的。

（b）PMN-PT襯底被+500v電壓極化后，電流誘導的磁化轉向。

（c）PMN-PT襯底被-500v電壓極化后，電流誘導的磁化轉向。

（d）底層為3nm厚Pt層的器件被施加一系列脈沖電流的磁化轉向。另外，小電流I_M (～0.1 mA)也被施加于器件上，是為了測量霍爾電阻從而區分磁化狀態。

圖3? 磁化轉向的原因

（a）當被注入電流時，鉑中由自旋霍爾效應引起的自旋分布。

（b）當被注入正電流+I時，PMN-PT襯底與底層Pt層之間界面的電壓分布。

（c）在垂直電場條件下，PMN-PT/ Pt界面層由自旋軌道耦合引起的自旋分布。

（d）當被注入負電流-I時，PMN-PT襯底與底層Pt層之間界面的電壓分布。

（e）Ep >0時，由自旋霍爾效應和自旋軌道耦合疊加在CoNiCo磁體中產生的自旋軌道距的圖解。

（f）Ep <0時，由自旋霍爾效應和自旋軌道耦合疊加在CoNiCo磁體中產生的自旋軌道距的圖解。

圖4? 自旋電流密度分布和磁化轉向

（a）四種條件下（J >0 Ep >0，J >0 Ep <0，J <0 Ep >0，J <0 Ep >0），PMN-PT襯底與底層Pt層之間界面電流密度分布。

（b）根據?Js/?x<0計算所得的轉向循環圖，對應PMN-PT襯底上施加負電壓。

（c）根據?Js/?x >0計算所得的轉向循環圖，對應PMN-PT襯底上施加正電壓。

【小結】

他們設計開發的這種鐵磁鐵電雜化結構材料，能夠實現電場對電流誘導的磁化反轉很好的控制，在可編譯的非揮發磁性存儲器有巨大應用前景。而且，由于電場能夠對磁化方向進行控制，讓一個或二個磁比特實現多個功能邏輯成為可能。這種材料能讓器件的設計更為簡單，大大信息科技的發展。

文獻鏈接：Electric field control of deterministic current-induced magnetization switching in a hybrid ferromagnetic/ ferroelectric structure（Nature Materials,2017, DOI:10.1038/NMAT4886）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）

材料測試，數據分析，上測試谷！