Advanced Materials封面文章： 西安交大研究人員在電場調控界面磁性方面取得突破

【引言】

多功能、低功耗、微型化、易集成和超快響應已成為電子元器件設計與開發的必然要求。利用新型磁電耦合效應，即通過電場誘導磁有序或者通過磁場改變電極化是實現這一目標的有效途徑之一。特別是在超薄磁性材料的界面或表面，利用電荷或晶格在納米尺度范圍內對自旋進行重構，可實現顯著的磁性調控。而這一效應在塊狀磁性材料中是無法實現的。離子液體，作為一種可在界面/表面產生雙電層結構在界面出可形成極高電荷濃度（10¹⁵/cm²）的電解液，可對超薄膜表層的電子云密度、能帶結構、自旋、軌道等產生極大影響，進而變宏觀物性。然而，離子液體磁電耦合效應原位測量及定量表征困難給該領域的進一步帶來嚴峻的挑戰。

【成果簡介】

西安交通大學電信學院電子系劉明教授課題組采用電子順磁共振波譜儀對調控過程進行精確、可控、可重復的原位定量測量。該測量手段是基于鐵磁共振原理，即利用磁矩在外磁場作用下進動頻率與微波頻率一致時的共振吸收現象對磁性變化進行定量表征。該測量方式為靜態無損測量，由高Q值的微波諧振腔和用于弱信號檢測的鎖相放大系統共同作用，具有測量精度高（<1 Oe），可在三維空間定量確定磁各向異性場的分布等特點。在室溫下，1.5 V的低電壓調制可以在Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co 類場效應管結構中離子液體與磁性金屬界面處實現高達219 Oe的可逆的磁各向異性變化，對應著破紀錄的高達146 Oe/V的磁電耦合系數。這種離子液體輔助實現強界面磁電耦合有著廣泛的應用價值，為電子與自旋電子器件的構建與實現，微波信號處理器的研制與應用打下堅實的基礎。

【圖文導讀】

圖1 離子液體電場原位調控測試原理示意圖、離子液體電學性質及調控機理示意圖

（a）離子液體電場調控效果通過電子順磁共振（Electron Paramagnetic Resonance Spectrum，EPR）原位定量表征出來，可以通過轉角測量測的磁性調控的空間信息；樣品腔內充滿干燥氮氣，所有測試在室溫下完成；

（b）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構中離子液體的電化學窗口測試，根據電流大小將兩極電壓劃分為I靜電摻雜區（電化學窗口內）和II電化學反應區（電化學窗口外）；

（c）（d）I靜電摻雜和II電化學反應過程中離子液體和磁性薄膜界面雙電層（Electric double?layers， EDL）的狀態示意圖，在II區雙電層的界面存在明顯的電化學腐蝕；

圖2 室溫下化學窗口內（I區）離子液體對Co膜磁各向異性原位可逆電壓調控測試

（a）施加1.5 V電壓前后Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構鐵磁共振場隨角度的依賴關系，外磁場平行于Co膜面時的位置定義為0度；

（b）在60度，Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構的鐵磁共振強度（dP／dH）隨外磁場和外加電場的變化，其中黃線表示鐵磁共振場H_r（dP／dH＝0）隨外電場變化關系；在1.5 V可以實現88 Oe的鐵磁共振位移，對應著59 Oe／V的磁電耦合系數；在70度化學窗口內的磁電耦合系數更是高達146 Oe／V（見supporting information）；

（c）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構鐵磁共振場隨外加電場的變化，該電壓范圍內調控作用可逆；

（d）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構鐵磁共振場隨外電場的可逆往復調控；

（e）1.5 V外電壓作用8小時后，共振場仍然可以被可逆往復調控；

圖3 離子液體對Co膜磁各向異性電壓調控機理分析

Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構初始態如圖（a）所示，當施加的正向電壓在I區內時，界面雙電層處積累的高電荷濃度使得薄膜的磁矩向面內方向移動，如圖（b），當電壓降回0 V時回到初始態，當施加副電壓時磁矩沒有變化，如圖（c），這可能是由于離子液體中陰陽離子的結構不同導致界面電場的差異；當外加電壓超出電化學窗口，進入II電化學反應控制區，界面處的電化學腐蝕使得Co本身的厚度減小，表面各向異性增大，共振場減小，磁矩轉向面內，如圖（d）；此時界面出生成了附著層，因而電壓回到0 V及再施加反向電壓的過程中不能實現磁矩方向的可逆變化。

圖4 室溫電化學反應主導的不可逆磁各向異性電壓調控

（a）在60度，電子順磁共振波譜儀對Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構鐵磁共振強度隨外加電場以及磁場的變化，5 V的外加電壓實現了415 Oe的鐵磁共振位移；

（b）鐵磁共振場H_r隨外加電壓的變化，對應（a）中的黑線；

（c）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構鐵磁共振場隨外電場的不可逆往復調控；

（d）與（e）面內和面外方向非原位離子液體對Co膜電場調控效果測量；

圖5 Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構界面處形貌和成分表征

（a）光學顯微鏡下Co表面被2.7 V電壓調制調控區域，與未調控區域的照片對比；

（b）-（d）分別對應著未調控，在I靜電摻雜區調控后，在II電化學反應區域調控后原子力顯微鏡表征表面形貌圖；

（e）-（g）為Co元素的未調控，在I靜電摻雜區調控后，在II電化學反應區域調控后三個樣品X射線光電子能譜表征；

（h）-（j）為O元素未調控，在I靜電摻雜區調控后，在II電化學反應區域調控后三個樣品X射線光電子能譜表征；

I區內電壓調控沒有對界面的形貌及組成成分產生影響，II區內電壓調控明顯腐蝕了Co表面，這與前面原位表征的電壓調控效果一一對應。

【總結與展望】

該工作系統研究了Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co結構中磁各向異性的電壓調控效果，借助電子順磁共振譜儀進行定量表征。在化學窗口內（區域I，-1.3 V～2.3 V），1.5 V的調制電壓實現了高達219 Oe?的鐵磁共振位移，對應著146 Oe／V的磁電耦合系數；且該過程完全可逆；更令人興奮的是該過程實在室溫下實現的，對比其他閘控結構，并不需要升高溫度來克服磁性變化的勢壘。在電化學窗口外（區域II，電壓小于-1.3 V或大于2.3 V），5 V外加電壓實現了415 Oe的磁各向異性場變化；該過程會對離子液體磁性膜界面造成腐蝕，這通過AFM和XPS進行了確認；Co厚度減小增大了其表面各向異性。這種離子液體輔助實現強界面磁電耦合有著廣泛的應用價值，為電子與自旋電子器件的構建與實現，微波信號處理器的研制與應用打下堅實的基礎。尤其是電化學窗口內，調控量大，調控在室溫下完成，調控過程完全可逆幾點預示著離子液體磁電壓調控存在極大的器件化應用價值。

該成果已在材料科學領域知名期刊Advanced Materials上在線發表，并將作為inside back?cover報道，題為“Quantitative Determination on Ionic-Liquid-Gating Control of Interfacial Magnetism”。西安交通大學電信學院電子陶瓷與器件教育部重點實驗室為該論文的第一作者及唯一通訊作者單位。該項工作是碩士生趙士舜在導師劉明教授、周子堯教授的指導下完成的。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。

文獻鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201606478/full

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趙士舜博士投稿，材料牛編輯曉fire編輯整理。