多鐵異質結構中逆磁電耦合效應的研究進展?

陳愛天1)2)? 趙永剛1)3)?

1)(清華大學物理系,低維量子物理國家重點實驗室,北京 100084)

2)(物理科學與工程部,阿卜杜拉國王科技大學,圖瓦23955-6900,沙特阿拉伯王國)3)(量子物質科學協同創新中心,北京 100084)(2018年7月2日收到;2018年7月15日收到修改稿)

1 引 言

隨著信息技術的快速發展,高存儲密度、快速讀寫和超低功耗的高性能存儲器件成為信息化發展的迫切需求[1],因而引起了眾多研究者的關注,成為目前最活躍的研究領域之一.傳統信息存儲依托磁性材料,用巨磁電阻效應或隧道磁電阻效應讀取信息,信息寫入則采用電流產生的磁場或自旋轉移力矩等[2,3].當前信息寫入過程中電流發熱、高功耗等阻礙了器件小型化.用電場或電壓來代替電流寫入信息不產生電流或產生極低電流,能夠有效地降低功耗.近年來,多鐵性材料(multiferroics)的興起提供了電場調控磁性的途徑,為磁電耦合注入了新的活力[4?7],對基礎研究和實際應用都具有重要意義,因其新奇的物理現象和潛在的巨大應用前景,迅速成為科學研究的熱點問題.

多鐵性材料是指同時具有兩種或兩種以上鐵性的材料[8].所謂“鐵性”是物質中原子或離子由于它們的相互作用而存在的某種自發序參量,它們在某些區域中大致按同一方向排列,形成自發的有序結構,且這種序參量能被外加驅動場所調控并表現出回滯行為.鐵性主要有鐵磁性、鐵電性、鐵彈性和鐵渦性[9,10].多鐵性材料中,多種鐵性能夠直接或間接地發生相互作用,這種相互耦合使彼此相互調控成為可能[8].這為各種序參量的外場調控提供了新的自由度和方向,對于基礎研究和器件應用都具有重要意義.一般電極化和磁化強度只能分別由電場和磁場調控,而多鐵性材料中鐵電性和磁性的共存和耦合,為電場調控磁性和磁場調控電極化提供了可能[11].尤其是電場調控磁性[12?15],由于其在信息存儲中可以通過電場寫入信息從而有效降低功耗,受到了人們的廣泛關注.

根據多鐵性材料中鐵磁相和鐵電相是否在空間同一相里共存,可以從大的方面把多鐵性材料分成兩類體系:一類是單相多鐵性材料,另一類是復合多鐵性材料[8].由于鐵磁、鐵電性起源的互斥性,單相多鐵材料比較稀少[16],并且具有磁電耦合系數小、工作溫度低等缺點.而把兩種或兩種以上單一“鐵性”的材料人為地結合在一起形成的復合多鐵性材料[17,18]能夠在室溫下得到大的磁電耦合效應而得到研究者的青睞,其中鐵電/鐵磁多鐵異質結構(圖1(a))易于制備、結構簡單得到廣泛研究.多鐵異質結構經過這幾年的迅速發展,已取得眾多成果,其電場調控磁性的機理主要有三種:界面電荷調制機理、交換偏置機理和應力媒介機理[19,20].其中應變媒介磁電耦合由于結構簡單、選材廣泛而成為現在多鐵異質結構研究的主要方向,并且其磁電耦合效應大、室溫操作等特點也為實際應用鋪平了道路[13,14,17,21].如圖1(b)所示,以應力為媒介的磁電耦合主要涉及鐵電體的逆壓電效應和鐵磁體的逆磁致伸縮效應.鐵電材料在外加電場作用下,會通過逆壓電效應產生應變,這種應變能夠傳遞到鐵磁層,通過逆磁致伸縮效應使鐵磁層的磁性狀態發生改變,這樣就能夠實現電場對磁性的調控.理論上磁電耦合系數與鐵電體壓電系數和鐵磁體磁致伸縮系數密切相關,因此利用磁致伸縮系數大的鐵磁材料和壓電系數大的鐵電材料構筑多鐵異質結構能夠得到顯著的磁電耦合效應,相應的室溫材料很多,這就為多鐵異質結構提供了充足的選材空間.本文主要介紹基于應力媒介的磁電耦合效應在電場調控磁性、磁化翻轉和磁性隧道結方面的研究進展.

圖1 (a)多鐵異質結構示意圖;(b)應變媒介磁電耦合效應基本原理Fig.1.(a)Illustration of the multiferroic heterostructures combining ferromagnetic with ferroelectric materials;(b)schematic of electric-f i eld-controlled magnetism via strain-mediated magnetoelectric coupling.

2 電場調控磁性

應變媒介磁電耦合的多鐵異質中,鐵電材料一般選取具有優良壓電性能和大壓電系數的鐵電體,其中新型弛豫型鐵電體鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3,PMN-PT)因具有獨特的機電特性和豐富的疇結構[22]而被廣泛用于復合多鐵異質結構中.磁性材料以Ni[23],Co[24],CoFeB[25,26]等磁致伸縮系數大的軟磁材料為主.PMN-PT(001)和(011)取向在多鐵異質結構中普遍應用,接下來分別予以介紹.

2.1 PMN-PT(001)襯底的電場調控磁性行為

一般而言,電場導致鐵電體產生的是揮發性應變,也就是在零電場時只有一種應變狀態,沒有剩余應變[22],因此相應的電場調控多鐵異質結構磁性行為也具有易失性,例如在PMN-PT(001)上生長CoFe2O4[27]和La0.7Sr0.3MnO3[28],電場對磁性的調控都顯示了蝶形(butterf l y)行為,這不利于磁存儲等實際應用,研究人員也在努力尋找新的電場非易失調控磁性行為.

Zhang等[26]意識到鐵電疇在電場調控磁性中的重要作用,將20 nm非晶態CoFeB薄膜生長在PMN-PT(001)襯底上(圖2(a)),觀察到了電場對磁性的顯著的非易失性調控.這一現象不能用界面電荷機理來解釋,因為界面電荷的影響范圍只有幾個納米[29].圖2(b)顯示了極化電流和[110]方向磁化強度隨外加電場的變化,可以看到磁化強度呈現回滯(looplike)行為,在零電場下有兩個穩定的磁化狀態,表明這是一種電場非易失性調控磁性,相對變化在25%左右.并且磁化強度在極化電流峰值附近變化劇烈,極化電流峰值來源于矯頑電場附近鐵電疇翻轉,這說明磁性的非易失性調控與鐵電疇的翻轉密切相關.

圖2 (a)CoFeB/PMN-PT復合多鐵異質結構及加電場的示意圖;(b)磁化強度和極化電流隨電場的變化(1 emu/cm3=103A/m)[26]Fig.2.(a)Scheme of the CoFeB/PMN-PT multiferroic heterostructures and experimental conf i guration;(b)dependence of magnetization and the corresponding polarization current on electric f i eld(1 emu/cm3=103A/m)[26].

PMN-PT具有菱方對稱性,自發極化沿著立方晶胞的體對角線[111]方向,并沿著此方向稍稍拉長,從而成為一種“贗立方”結構.如圖3(a)所示,PMN-PT(001)有四種畸變結構(r1,r2,r3和r4)和八個極化方向(r1±,r2±,r3±和r4±).值得注意的是,這種贗立方結構在(001)面內的投影是菱方形的,其在[110]和[1ˉ10]方向上的長度不一樣,也就是r1/r3和r2/r4的晶格常數有所差異.鐵電疇翻轉有71?,109?和180?三種方式.當鐵電疇在r1和r3或者r2和r4之間翻轉時構成71?翻轉;而鐵電疇在同一對角線翻轉為180?翻轉,比如r1+和r1?之間的變化;r1/r3和r2/r4之間的鐵電疇翻轉則導致109?翻轉.這三種鐵電疇的翻轉方式也被壓電響應力顯微鏡(piezoresponse force microscopy,PFM)的結果所證實[26].如圖3(b)所示,r1/r3和r2/r4晶格常數的差異使不同的鐵電疇翻轉產生不同的應變行為.對于71?和180?的鐵電疇翻轉,正負電場并未引起菱形畸變的方向發生變化,然而當在鐵電極化翻轉的瞬間,其晶胞發生一定的形變[30],鐵電疇翻轉前后應力狀態一樣,是一種易失性行為,對應的是蝶形(butterf l y)行為的應變.而對于109?的鐵電疇翻轉,自發極化在(001)面內的分量經歷了90?旋轉,使菱方畸變的長軸方向在面內旋轉90?,這樣正負電場下具有不同的應變狀態為非易失性應變,表現為回滯(looplike)行為,這也被隨后的應變實驗所證實[31].Yang等[31]在PMNPT(001)上粘貼應變片,通過連續和脈沖電場的測量方法,分離出蝶形(butterf l y)型易失性和回滯(looplike)型非易失性兩種不同的應變.這些結果表明電場非易失性調控磁性來源于109?鐵電疇翻轉引起的非易失性應變.

圖3 (a)PMN-PT(001)鐵電極化示意圖;(b)71?/180?和109?鐵電疇翻轉引起的晶格畸變;(c)—(f)不同電場下PMN-PT晶體(113)衍射峰的RSM結果[26]Fig.3.(a)Schematic of the polarization orientations for PMN-PT(001);(b)correlation between domain switching and distortion;(c)–(f)the ref l ections of RSM around the(113)peak at dif f erent electric f i elds[26].

為了定量給出109?鐵電疇翻轉的比例,Zhang等[26]采用原位電場下的倒空間衍射(reciprocal space mapping,RSM)技術,從晶格的角度,對樣品鐵電疇翻轉以及相應的畸變和應變進行了定量表征.圖3(c)—(f)給出了PMN-PT(001)的(113)衍射峰不同電場下的RSM結果.從整體上看,加?8 kV/cm電場和?0 kV/cm 的圖樣(圖3(c)和圖3(d))具有很大的相似性,同樣+8 kV/cm(圖3(e))和+0 kV/cm的圖樣(圖3(f))也基本相同,而正負電場下的圖樣卻具有很大的差別,這表明其非易失性.定量分析給出負極化狀態下r2/r4的比例從4%變為正極化狀態下的30%,26%的變化量也與圖1(b)中25%的磁性變化相符合.Yang等[31]則發現在正負電場下r2/r4比例不變的PMN-PT晶體中沒有非易失性應變.這些結果進一步表明109?鐵電疇翻轉是產生電場非易失性調控磁性的原因.Zhang等[32]把非晶CoFeB換作多晶Fe薄膜,研究了不同磁場和角度下電場對磁性的調控行為,同樣得到了電場非易失性調控磁性.Liu等[33]研究了不同成分的PMN-PT對電場調控磁性的影響.

圖4 (a)—(c)不同鐵電疇翻轉導致的電場調控磁性行為[35]Fig.4.(a)–(c)Dif f erent behaviors of magnetization under electric f i elds for dif f erent ferroelectric domain switchings[35].

通過以上分析可以得知71?/180?和109?鐵電疇翻轉分別對應蝶形(butterf l y)和回滯(looplike)應變,可以預期其對應的電場對磁性的調控應分別為易失性和非易失性.但是在宏觀連續鐵磁薄膜樣品中很難把二者區分開,需要具有空間分辨能力的表征手段.Li等[34]利用掃描克爾顯微技術對CoFeB/PMN-PT(001)多鐵異質結構進行了研究,觀察到不同區域的電場調控磁性行為,其應和鐵磁層下面的鐵電疇狀態密切相關.最近,Ba等[35]進一步把CoFeB光刻成為直徑10μm的盤狀結構,通過分辨率更高(大約10 nm)的掃描電子顯微鏡的極化分析(scanning electron microscopy with polarization analysis)來研究不同磁盤的磁矩在電場下的變化,其結果如圖4所示.磁性對電場的反應主要有三種.1)如圖4(a)所示,撤去+8 kV/cm后的 +0 kV/cm 下, 磁矩指向 [ˉ110]/[1ˉ10]方向, 而施加?8 kV/cm后的?0 kV/cm時,磁矩則旋轉90?指 向[110]/[ˉ1ˉ10] 方 向, 旋 轉 磁場 光 克 爾 效 應(magnetic-optical Kerr ef f ect using a rotating f i eld,Rot-MOKE)也表明其易磁化軸發生了90?旋轉,呈現非易失性;2)如圖4(b)所示,±0 kV/cm下磁化狀態基本沒有變化,易磁化軸沒有旋轉,呈現易失性;3)如圖4(c)所示,±0 kV/cm下磁化狀態發生改變,但旋轉角度小于90?.結合PFM測量及以上分析,類型 1)對應109?鐵電疇翻轉,而類型2)對應71?/180?鐵電疇翻轉.對于類型3),其磁盤下面71?/180?和109?鐵電疇翻轉共存,部分磁矩發生旋轉.這樣就在微觀尺度對CoFeB/PMNPT(001)多鐵異質結構進行了系統的研究分析,揭示了鐵電疇翻轉對電場調控磁性的重要影響,這為多鐵異質結構的設計提供了思路和方法.

2.2 PMN-PT(011)襯底的電場調控磁性行為

面外(011)取向的PMN-PT是另一種普遍使用的鐵電單晶襯底.Wu等[23]利用PMN-PT(011)實現了非易失性應變. 圖5(a)給出了PMNPT(011)的電滯回線,呈現很好的回滯行為,其矯頑電場大約為2 kV/cm.圖5(b)給出了PMNPT(011)沿x軸和y軸的應變曲線,x軸和y軸分別代表PMN-PT的晶向[100]和[01ˉ1].當施加雙極性對稱電場±8 kV/cm時,其應變曲線對稱,在零電場下只有一種應變狀態,為易失性應變.y方向的應變在矯頑電場附近有兩個峰,這來源于鐵電極化在矯頑電場附近從面外轉到面內,這是一種亞穩態,當電場超過矯頑電場時,鐵電極化重新翻轉到面外,應變迅速減小.如圖5(a)所示,電場從正掃描到負,在接近矯頑電場時,電極化很小,如果不再繼續增大電場,而是反向減小電場到零,這種電極化很小的狀態能夠保持,直到電場超過矯頑電場而使鐵電疇的電極化重新翻轉到面外.通過這種非對稱的電場極化,在零電場下,PMN-PT可以有兩種極化狀態:8 kV/cm降到零時鐵電疇面外極化和?1.6 kV/cm降到零時鐵電疇面內極化.這意味著圖5(b)中y方向的應變峰值能夠保持而出現非易失性應變.不出所料,圖5(b)給出了不對稱正負電場?1.6—8 kV/cm下沿x和y方向的應變曲線,可以看出應變曲線呈現回線行為,在零電場下有兩種應變狀態,是一種非易失應變.Wu等[23]在PMN-PT(011)上生長Ni薄膜,利用這種非易失應變得到了電場對Ni磁滯回線的非易失性調控.這種非易失應變也被用來調控微波特性[36]、Verwey轉變[37]、金屬-絕緣體轉變[38]等.

圖5 (a)鐵電極化隨外加電場的變化;(b)不同電場范圍沿x軸和y軸的應變曲線[23]Fig.5.(a)Dependence of out-of-plane electric displacement on electric f i eld;(b)in-plane piezostrains along the x and y directions[23].

圖6 (a)CoFeB/PMN-PT(011)中不同電場下的磁滯回線;(b)0和17.5 kV/cm電場時Rot-MOKE測量結果[25]Fig.6.(a)Magnetic hysteresis loops under electric f i elds measured along the[100]direction for CoFeB/PMN-PT(011);(b)polar diagram of the uniaxial anisotropy energy for 0 and 17.5 kV/cm measured by Rot-MOKE[25].

基于PMN-PT的各向異性應變,Zhang等[25]在CoFeB/PMN-PT(011)結構中得到了顯著的電場對磁性的調控,其調控相對變化達到83%.圖6(a)是在[100]方向不同電場下的磁滯回線.電場從0到10 kV/cm,再到20 kV/cm變化時,磁滯回線有明顯變化,飽和磁場從最初未加電場時的約20 Oe(1 Oe=103/(4π)A/m)一直增加到約500 Oe,磁滯回線也由“方形”逐漸傾斜變為“扁形”.這表明在電場作用下,CoFeB的易磁化軸發生了變化. 為了更清晰地反映易磁化軸的變化,Zhang等[25]測量了不同電場下的Rot-MOKE行為.圖6(b)給出了單軸各向異性能隨角度的分布,可以看出0 kV/cm時易磁化軸指向0?([100方向]),而在17.5 kV/cm時,易磁化軸旋轉90?,指向[01ˉ1]方向. 這種易磁化軸的旋轉可由應變誘導的磁彈各向異性能進行解釋.應變誘導y軸方向的等效磁彈各向異性場[39]可表示為:式中λ和Y 分別為鐵磁薄膜磁致伸縮系數和楊氏模量,εx和εy分別是PMN-PT(011)沿x軸和y軸方向的應變.CoFeB磁致伸縮系數為正,因而應變誘導的易磁化軸指向y軸使其發生90?旋轉.

2.3 電場調控垂直磁各向異性材料

垂直磁各向異性材料能夠提高磁存儲密度,增加熱穩定性,對實際應用具有重要意義[40].在多鐵異質結構中,對于面內磁各向異性材料研究較多,而垂直磁各向異性材料則較少涉及.Kim等[41]在CoPd/PMN-PT(001)中通過調節CoPd合金的比例和薄膜厚度得到了電場對CoPd合金垂直磁各向異性的調控.Yu等[42]在PMN-PT(001)襯底上生長了Ta/CoFeB/MgO結構,利用鐵磁共振(ferromagnetic resonance,FMR)對樣品在不同電場下的共振曲線進行測量,研究了應變對具有垂直磁各向異性CoFeB的影響,但應變對其影響較小.Shirahata等[43]將Cu/Ni多層膜生長在BaTiO3上,由于Cu/Ni多層膜垂直磁各向異性來源于磁彈效應,其對應變比較敏感,在電場下Cu/Ni多層膜的易磁化軸從面外旋轉到面內.最近,有多篇關于電場調控Co/Pt多層膜體系的報道[44?47].Sun等[45]和Peng等[47]通過仔細調節Co薄膜厚度,在Co/Pt多層膜自旋重取向轉變附近,通過原位電場的FMR測量,分析了電場對界面垂直磁各向異性的影響.電場對垂直磁各向異性材料的研究方興未艾,為多鐵異質結構注入了新的活力.

3 電場調控磁化翻轉

作為電場調控磁性的一個重要目標——電場調控磁化翻轉仍然是一個具有挑戰性的課題.對于單相多鐵性材料[48]和[49],可以分別在2和150 K下觀察到電場調控磁化翻轉,但遠低于室溫的工作溫度,離實際應用還有一定的距離.Heron等[50]在DyScO3襯底上依次生長了BiFeO3和CoFe薄膜,對BiFeO3薄膜垂直加電壓,利用X射線磁圓二色性光發射電子顯微鏡測量,加電壓前后觀察到了180?磁化翻轉.這源于電壓誘發BiFeO3鐵電疇71?和109?兩次極化翻轉[51],通過BiFeO3和CoFe界面耦合,CoFe磁矩發生相應的變化而導致180?翻轉.進而在BiFeO3上生長CoFe/Cu/CoFe自旋閥結構,得到了完全的電場調控巨磁電阻.Zhou等[52]使用FMR技術在此結構中得到了類似結果.但BiFeO3在反復加電壓過程中離子遷移會不可逆轉地氧化鐵磁層CoFe,破壞界面耦合[50].

圖7 (a)鐵電襯底上生長交換偏置結構樣品示意圖;(b)0和8 kV/cm下交換偏置場的角度依賴行為;(c)當釘扎方向與x軸有夾角時零磁場下磁矩取向;(d)加電場前后磁滯區域分離的磁化曲線[53]Fig.7.(a)Schematic of the sample combining exchanged-biased system with ferroelectric material;(b)angular dependences of exchange bias with 8 kV/cm on and o ff;(c)illustration of magnetization orientations at zero magnetic field under electric fields for optimized anisotropy con fi guration;(d)magnetic hysteresis loops under electric fields with separation of hysteresis region[53].

目前,鐵磁/鐵電多鐵異質結構中電場調控磁性的工作主要是電場對磁化強度大小的調控[23,25?28],而對于可逆磁化翻轉的電場調控雖然有很多嘗試,但依然是一個具有挑戰性的課題.例如Yang等[24]在Co/PMN-PT(001)中,對PMNPT面內加電場,在H=3 Oe偏置磁場下,利用PMN-PT極化電流產生的微小磁場得到了單次磁化翻轉,但是在電場作用下翻轉后的磁矩無法重新回到初始磁化狀態.近年來,在鐵電襯底上生長鐵磁/反鐵磁交換偏置體系來研究電場調控磁性已有相關報道[54?57].應變媒介磁電耦合中交換偏置體系的引入,結合了應變機理和交換偏置,為電場調控磁化翻轉提供了新的思路.例如Liu等[54]在FeMn/FeGaB體系中得到了交換偏置的電場調控和電場對磁化翻轉的不可逆調控.最近,Chen等[53]將IrMn/CoFeB交換偏置結構生長在PMNPT(011)襯底上(圖7(a)),通過調節CoFeB厚度改變交換偏置大小,使單向磁各向異性能與應變誘導的單軸磁各向異性能相匹配.在電場作用下引入的應變引起了交換偏置體系中單向磁各向異性能和單軸磁各向異性能的競爭,通過測量不同角度下的磁滯回線,得到了電場對交換偏置的顯著調控(圖7(b)).同時,在某些角度實現了加電場前后磁滯回線回滯區域的分離,從而實現了磁化翻轉.進一步優化樣品結構,如圖7(c)所示,將樣品交換偏置釘扎方向與[100]方向形成一個夾角,從而在電場作用下使磁化曲線的磁滯區域分離(圖7(d)),最終得到了零磁場下電場對磁化翻轉的可逆調控.但這種磁化翻轉不是180?磁化翻轉.

在單純應變媒介磁電耦合中,由于電場不能打破時間反演對稱性,理論上不能實現電場調控180?磁化翻轉,因此需要引入其他輔助因素[19,20],比如多方向應變、形狀各向異性、雙軸磁各向異性材料等,理論上已經有相關的探索.

在鐵電襯底的面內加電壓可以產生沿電極連線方向的單軸應變[58],這種單軸應變的方向取決于面內電極的位置,與鐵電材料的面內取向無關,因此可以通過設計電極構型來產生不同方向的應變.利用這種應變,一對電極能夠有效地調控磁性層磁矩旋轉[58,59],理論上在PMN-PT上設計多對電極結構,通過相鄰電極對的配合,能夠使磁矩實現旋轉“接力”,從而有可能實現電場調控180?磁化翻轉[60,61].Biswas等[62]在PMN-PT上設計兩對電極,利用磁力顯微鏡觀察到了部分Co磁性小島的磁矩發生了翻轉.但是這種結構需要面內多對電極協同作用來加電壓調控一個磁性納米結構的磁性,對于多個磁性納米結構的調控由于大量電極的引入不利于集成小型化.

另一方面,Wang等[63]在理論上設計了“花瓣形”納米磁體結構(圖8(a)),其具有雙軸磁各向異性,易磁化軸沿著長軸方向,鐵電層的應變方向與納米磁體結構的易磁化軸有一定的夾角(圖8(b)).如圖8(c)所示,每次施加一次應變可以使磁矩旋轉90?,這樣通過電場誘導磁矩單方向連續的90?旋轉就可以得到電場非揮發調控180?磁化翻轉.并且每個磁化狀態在形狀各向異性的作用下穩定存在.Peng等[64]利用方形結構也模擬了類似結果.這種納米磁體結構提高了樣品制作難度,同時也帶來了磁性表征方法上的挑戰.另外納米尺度磁體磁性的電場調控與其下面的鐵電疇狀態密切相關[65],如何局域而精確地調控鐵電疇也是一個有待解決的問題.

圖8 (a)“花瓣形”納米磁體結構樣品示意圖;(b)易磁化軸與應變方向有一夾角;(c)電場誘導磁矩連續的單方向90?旋轉來實現磁化翻轉的原理[63]Fig.8.(a)Illustration of a f l ower-shaped nanomagnet grown on a ferroelectric substrate;(b)the noncollinear structure of the magnetic easy axis and the uniaxial piezostrain;(c)the mechanism of reversible 180? magnetization switching achieved through a series of continuous 90? switching[63].

4 電場調控磁性隧道結

傳統的自旋電子學器件如磁性隧道結等的調控都是通過電流產生的磁場或者自旋轉移力矩效應來實現[3],由于電流發熱的影響,功耗較大.多鐵性材料的優勢是用電場來調控磁性,能夠有效降低功耗.因此多鐵性材料和自旋電子學器件的結合是未來存儲和邏輯器件的一個有力競爭者[66].

目前,多鐵性材料和磁性隧道結的結合有兩種方案,即鐵電材料作為勢壘的磁性隧道結[67?69]和生長在鐵電襯底上的磁性隧道結[70?73].1)鐵電勢壘磁性隧道結:電場通過改變鐵電極化調制界面磁性來調控隧道磁電阻.常用的鐵電勢壘薄膜有BaTiO3[68]和PbZr0.2Ti0.8O3[69]等.由于鐵電超薄膜很難保持鐵電性[21],這增加了制作難度,并且遠低于室溫的工作溫度也限制了其實際應用.2)鐵電/磁性隧道結:得益于多鐵異質結構中電場調控磁性的蓬勃發展,把磁性隧道結生長在鐵電材料上,利用應變媒介磁電耦合效應使自由層磁矩旋轉,進而對磁性隧道結進行調控[70,71].Hu等[71]通過相場模擬,理論上預言了用這種結構作為存儲單元的磁性隨機存儲器存儲密度可達88 Gb/inch2,功耗可低至0.16 fJ/bit,同時寫入時間不超過10 ns.這種高存儲密度、高速度、低功耗的存儲器件立刻引起了人們的廣泛關注.

在實驗上,Li等[72]在PMN-PT(011)上生長CoFeB/Al2O3/CoFeB磁性隧道結.在外加電場的作用下,PMN-PT產生各向異性應變并傳遞到磁性層,從而引起磁性層磁各向異性改變.在零磁場下,釘扎層磁化方向不變,鐵電層施加電場產生應變導致自由層磁矩發生90?旋轉,從而實現了室溫零磁場下電場對磁性隧道結中磁化相對取向和隧道磁電阻的調控(圖9(a)).Zhao等[73]在PMNPT(001)上生長CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(圖9(b)),分別用面外和面內加電壓的方法也得到了偏置磁場下隧道磁電阻的電場調控.但這都是易失性的調控,電場撤去之后,磁性隧道結的磁電阻狀態不能保持.室溫零磁場下電場對磁性隧道結的非易失性調控還未見報道,仍需進一步研究.

圖9 電場對(a)CoFeB/Al2O3/CoFeB[72]和(b)CoFeB/MgO/CoFeB[73]磁性隧道結的易失性調控Fig.9.Volatile electric-f i eld manipulation of(a)CoFeB/Al2O3/CoFeB[72]和(b)CoFeB/MgO/CoFeB[73]magnetic tunnel junctions.

5 總結與展望

近年來,因其巨大的應用前景,應力媒介磁電耦合效應的研究一直是當今材料科學研究的熱點問題.經過多年的研究,在多鐵異質結構中取得了一系列重要的研究成果,得到了電場對磁性的顯著調控,但其依然面臨著一些問題和挑戰,需要進一步研究.

1)鐵電疇相關的電場調控磁性行為表現出新奇的特性,109?鐵電疇翻轉能夠引起電場對磁性的非易失性調控.在微觀尺度,也得到了對電場調控磁性的空間分辨.但是如何控制不同類型的鐵電疇翻轉,增加109?鐵電疇翻轉的比例,乃至在納米尺度精確得到109?鐵電疇翻轉尚不清楚.納米磁體磁性的電場調控與其下面的鐵電疇狀態密切相關,如何局域而精確地調控鐵電疇也是一個有待解決的問題.納米尺寸磁體結構的電場調控應該是未來電場調控磁性研究的重要方向.

2)由于電場不能打破時間反演對稱性,因此在應變媒介磁電耦合中電場最多使鐵磁層磁矩旋轉90?,因此如何實現電場調控磁矩180?翻轉還是一個需要進一步研究的難題.理論上電場調控“花瓣形”或“方形”納米磁體結構的磁性來實現電場調控180?磁化翻轉,本質是電場誘導的單軸磁各向異性與納米磁體結構的雙軸磁各向異性之間的競爭.因此利用具有雙軸磁各向異性的磁性材料[74,75]來代替特殊形狀的納米磁體結構也有可能實現電場調控磁化翻轉.但如何利用雙軸磁各向異性的磁性材料來實現電場調控磁化翻轉還需要對樣品結構進一步優化.多鐵異質結構中具有雙軸磁各向異性的磁性材料的引入為電場調控180?磁化翻轉提供了新的思路.

3)現今多鐵異質結構中鐵電材料通常選取PMN-PT等單晶材料,所需要的電壓一般都比較大,這不利于與現在硅基電子學器件集成.近年來,高性能的鐵電薄膜已經有相關報道[76,77].Baek等[77]在Si(001)襯底上外延生長了高質量的PMN-PT薄膜,其具有優良的鐵電性能.因此,在鐵電薄膜上生長磁性材料研究電場調控磁性,能夠更好地與現有硅基電子學器件相結合,可以更快地使多鐵異質結構產品化,但相關的研究還處于初步階段.這將是多鐵異質結構研究的重要方向和目標.

4)自旋軌道電子學[78?80]和斯格明子[81?83](skyrmion)是目前磁學領域的研究熱點. 其與鐵電材料相結合,以應變對其調控也已經有相關探索.例如Cai等[84]在PMN-PT上制備Pt/Co/Ni/Co/Pt多層膜,得到了零磁場下電流調控垂直磁化翻轉.理論上也有通過應變媒介磁電耦合效應來調控斯格明子的報道[85,86].多鐵異質結構中磁電耦合效應與其他領域的交叉融合是一個新的發展方向,有利于拓寬磁電耦合效應的應用范圍,引入新的調控自由度.