Abstimmung des elektrischen Felds nichtflüchtiger Magnetismus in halbmetallischen Legierungen Co2FeAl/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-Heterostruktur

Hintergrund

Mit der raschen Entwicklung der Informationstechnologie wurde in den letzten Jahren der steigenden Nachfrage nach hoher Geschwindigkeit, niedriger Verlustleistung und Nichtflüchtigkeit in angewandten Geräten große Aufmerksamkeit geschenkt. Mit dem Ziel, den Bedarf zu decken, hat sich gezeigt, dass der Steuermagnetismus des elektrischen Felds über magnetoelektrische (ME) Kopplung in den ferromagnetischen/ferroelektrischen (FM/FE) multiferroischen Heterostrukturen eine Kombination der obigen Vorteile bieten kann. In diesen FM/FE-Heterostrukturen [1,2,3,4,5,6,7,8,9] wurden ME-Kopplungsmechanismen weithin als drei Aspekte anerkannt, darunter Piezodehnungseffekt, Ladungseffekt und Austauschvorspannung [10, 11,12,13,14,15]. Unter anderem wird die Piezodehnung durch den Piezodehnungseffekt erzielt, wenn das elektrische Feld an das ferroelektrische Material angelegt wurde, was eine starke magnetische Reaktion der magnetischen Schicht induzieren kann. Basierend auf der piezospannungsvermittelten ME-Kopplung wird das spezielle ferroelektrische Kristallmaterial Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ -30% PbTiO₃ (PMN-PT) mit großem Piezostrain-Effekt wird häufig in FM/FE-Heterostrukturen verwendet, da die d ₃₃ des Materials ist viel größer als die d ₃₁; Spannung oder Ladung, die durch ein an die PMN-PT-Schicht angelegtes elektrisches Feld induziert wird, kann die magnetische Anisotropie der angrenzenden magnetischen Schicht manipulieren, was zu einem ME-Effekt führt [16,17,18]. In der FM/FE-Heterostruktur die halbmetallische Heusler-Legierung Co₂ FeAl (CFA) als magnetische Schicht sollte als geeignete Materialwahl verwendet werden [19,20,21,22]. Der CFA-Dünnfilm hat ausgezeichnete Materialeigenschaften, wie eine niedrige magnetische Dämpfungskonstante, eine hohe Spinpolarisation und eine hohe Curie-Temperatur (1000 K), die als ideale spinpolarisierte Elektronenquellen für Spintronikvorrichtungen gelten [23, 24]. Wu et. al. berichteten über die piezoelektrische Dehnungsantwort in dem (011)-orientierten einzelnen ferroelektrischen Material. Die relativ großen Änderungen der remanenten Dehnung wurden nur durch ein elektrisches Feld angelegt und freigesetzt [25]. Die piezospannungsvermittelten magnetischen Eigenschaften einer Magnetschicht durch Anlegen eines elektrischen Felds an das PMN-PT-Substrat sind jedoch für die Anwendung in elektronischen Geräten wesentlich. Daher haben wir in diesem Artikel nichtflüchtige, durch elektrische Felder vermittelte magnetische Eigenschaften in Co₂ . untersucht FeAl/Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ -PbTiO₃ Heterostruktur bei Raumtemperatur. Die nichtflüchtige, durch elektrische Felder getriebene remanente Magnetisierung entlang der Richtungen [100] und [01-1] wurde erreicht, und die beiden riesigen reversiblen und stabilen remanenten Magnetisierungszustände werden durch Anlegen eines gepulsten elektrischen Felds erhalten [26]. Dies kann auf den Piezostrain-Effekt zurückgeführt werden, der vom piezoelektrischen Substrat ausgeht, das ein potenzieller Kandidat für die Anwendung in elektronischen Geräten sein kann.

Methoden

Die Heterostruktur bestand aus einer CFA-Legierung als FM-Schicht und PMN-PT (011) als FE-Schicht. Der CFA-Dünnfilm wurde durch Gleichstrom-(DC)-Magnetron-Sputtern bei 600 °C unter einem Ar-Druck von 0,1 Pa und einer Flussrate von 10 SCCM (SCCM bezeichnet Kubikzentimeter pro Minute bei STP) mit einem Basisdruck von 2 × 10<. abgeschieden sup> −5 Pa. Die Dicke des CFA-Dünnfilms betrug 40 nm. Die Pt-Schichten wurden mit einem 2 mm dicken Pt-Target als Elektroden gesputtert. Die Dicke der oberen und unteren Pt-Schicht betrug 10 bzw. 50 nm. Cu-Drähte wurden mit dem Klebeband mit den Elektroden verbunden. Die statischen magnetischen Eigenschaften der CFA/PMN-PT-Heterostruktur wurden mit einem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM, MicroSense EV9) untersucht. Die Gleichstromversorgung (Keithley 2410) wurde verwendet, um eine Vorspannung bereitzustellen. Die Bilder der magnetischen Domänen wurden durch Magnetkraftmikroskopie (MFM) mit Asylum Research© MFP-3D bei Raumtemperatur mit senkrecht zur Probenebene magnetisierten weichmagnetischen Spitzen aufgenommen. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussionen

Die Grundbausteine ​​der CFA/PMN-PT-Heterostruktur und des Koordinatensystems der statischen magnetischen Messung in der Ebene wurden in Abb. 1a bzw. b gezeigt. Das effektive durch ein elektrisches Feld induzierte Piezodehnungsfeld (H _σ ) und magnetisches Anisotropiefeld (H _k ) stehen senkrecht aufeinander. Wir definieren das Magnetfeld H angewendet entlang der [100]-Richtung als 0°, während die [01-1]-Richtung als 90° [26] verwendet wird. Von der PMN-PT Hystereseschleife (P -E Schleife, 1 Hz) und Dehnungskurve (S -E ), die mit ferroelektrischen und Dehnungsmessstreifen in Abb. 1c gemessen wurde, können wir sehen, dass die Sättigungspolarisation von PMN-PT etwa 25 μCcm ⁻² . beträgt , und das Koerzitivfeld beträgt etwa 100 V (2,5 KVcm ⁻¹ .). ). Das MFM-Bild wird gemessen, wenn das angelegte Magnetfeld 1000 Oe entfernt wurde, wie in Fig. 1d gezeigt. Die dunklen und hellen Bereiche zeigen die Bildung einer Magnetisierungskomponente außerhalb der Ebene an. Folglich bildet sich eine Anordnung von oszillierenden „auf und ab“ magnetischen Domänen, bekannt als Stripe-Domäne (SD), was auf die Existenz einer beträchtlichen senkrechten magnetischen Anisotropie schließen lässt [27].

Schema der multiferroischen CFA/PMN-PT-Heterostruktur (a ) und Schema des Koordinatensystems (b ). α , φ , und θ sind die Winkel des effektiven durch das elektrische Feld induzierten Piezodehnungsfeldes (H _σ ), magnetisches Anisotropiefeld (H _k ) und Magnetisierung (M _s ) bezogen auf das gesamte Wirkfeld (H ₀ ), bzw. θ ₀ ist der Winkel des H _k in Bezug auf das Magnetfeld (H ). c Die Hystereseschleife (P -E Schleife, 1 Hz) und Dehnungskurve (S -E ) des PMN-PT-Substrats entlang der [100]-Richtung. d Ein typisches MFM-Bild eines CFA-Films

Die magnetischen Hystereseschleifen der CFA/PMN-PT-Heterostruktur wurden entlang der Richtung von [100] und [01-1] unter angelegten elektrischen Feldern von ± 0 und ± 5 kVcm ⁻¹ . gemessen [11]. Das elektrische Feld wurde von oben nach unten positiv angelegt, ansonsten negativ. − 0 und + 0 kVcm ⁻¹ sind Restpolarisationszustände nach den angelegten elektrischen Feldern von − 10 und + 10 kVcm ⁻¹ ausgeschaltet bzw. Die magnetischen Hystereseschleifen, wie in Fig. 2a gezeigt, zeigten eine deutliche magnetische Anisotropie in der Ebene an. Die blaue Linie stellt die Richtung der leichten Magnetisierung der Hystereseschleife in der Ebene entlang der Richtung dar [100], und die remanente Magnetisierung ist signifikant kleiner als die Sättigungsmagnetisierung. Die M -H Schleifen wurden durch zwei Magnetisierungsverfahren gebildet:die M -H Kurve zeigt eine lineare Beziehung zwischen dem angelegten Magnetfeld vom positiven Sättigungsfeld zum negativen Koerzitivfeld und der abrupten Umkehrung von M wenn das H erreicht das Koerzitivfeld; die M -H die Kurve kehrt zu einer linearen Beziehung zurück, wenn das angelegte Magnetfeld weiter abnimmt, was davon ausgegangen werden kann, dass der Film eine Streifendomänenstruktur hat. Die rote Linie bezeichnet die Hartmagnetisierungsrichtung, die entlang der Richtung [01-1] gemessen wird. Abbildung 2b zeigt die Hystereseschleifen der CFA/PMN-PT-Heterostruktur unter dem elektrischen Feld E = 5 kVcm ⁻¹ . Verglichen mit dem in Fig. 1a gezeigten Ergebnis dreht sich die Richtung der leichten Achse um 90°, das heißt, sie dreht sich von der Richtung [100] nach [01-1] [28,29,30]. Wie in Abb. 2c gezeigt, stimmt die blaue Linie mit der roten Linie überein und die magnetische Anisotropie in der Ebene verschwindet unter dem Polarisationszustand + 0 kVcm ⁻¹ . Die magnetische Vorzugsachse kehrt in Richtung [100] zurück, wenn das angelegte elektrische Feld weiter auf − 5 kVcm ⁻¹ . abnimmt wie in Abb. 2d gezeigt. Um die Änderung des magnetischen Anisotropiefeldes bei verschiedenen elektrischen Feldern zu untersuchen, wurde die remanente Magnetisierung bei verschiedenen Winkeln gemessen, wie in Abb. 2e gezeigt. Bei dieser Messung wurde die Probe von 0° bis 360° in der Ebene im 5°-Schritt gedreht. Die magnetische Anisotropie in der Ebene wird in der CFA/PMN-PT-Heterostruktur gemessen. Bei − 0 kVcm ⁻¹ , ist die Richtung der leichten Magnetisierung der remanenten Magnetisierungskurve in der Ebene entlang der Richtung [100]. Der Wert der relativen remanenten Magnetisierung (M _r /M _s ) ist deutlich kleiner als 1, was auf eine nicht kohärente Anordnung eines Teils des magnetischen Moments hinweist. Mit zunehmendem elektrischem Feld auf + 2,5 kVcm ⁻¹ , nimmt die magnetische Anisotropie ab. Wenn das elektrische Feld weiter auf + 5 kVcm ^–1 . erhöht wird , tritt die magnetische Anisotropie in der Ebene wieder auf. Verglichen mit der remanenten Magnetisierungskurve bei − 0 und + 5 kVcm ⁻¹ , dreht sich die leichte Achse um 90°, was mit dem Ergebnis von Hystereseschleifen übereinstimmt, wie in Abb. 2a, b gezeigt. Dies kann auf den durch das elektrische Feld induzierten Piezostrain-Effekt zurückgeführt werden, und der piezoelektrische Effekt von PMN-PT erzeugt eine neue magnetische Anisotropie (Spannungsanisotropie H _σ ) in der CFA/PMN-PT-Heterostruktur. Die magnetische Anisotropie der CFA/PMN-PT-Heterostrukturen wird durch die Kombination von H . beeinflusst _σ und H _k [31].

a–d Die magnetischen Hystereseschleifen bei − 0, 0, 5 und − 5 kVcm ⁻¹ , bzw. e Gemessene M _r /M _s gegen θ ₀ Kurven unter verschiedenen elektrischen Feldern

Um den durch das elektrische Feld induzierten Piezo-Strain-Effekt zu verifizieren, wurde die remanente Magnetisierung mit dem angelegten elektrischen Feld in den Richtungen [01-1] und [100] gemessen. Wir haben die Änderung der remanenten Magnetisierung gemessen, indem wir das elektrische Feld durchstreichen, nachdem das Sättigungsmagnetfeld 1200 Oe in den Richtungen [100] bzw. [01-1] entfernt wurde. Die asymmetrische schmetterlingsartige remanente Magnetisierung gegenüber dem angelegten elektrischen Feld wird erhalten. Wir können feststellen, dass die Remanenz der CFA/PMN-PT-Heterostruktur auf ein elektrisches Feld in Schmetterlingsform reagiert; die M -E Kurven wurden gemessen, indem das elektrische Feld von + 10 bis − 10 kVcm ⁻¹ . durchlaufen wurde in Abb. 3a, c. Diese Reaktion ist symmetrisch zur Spannungsänderungskurve mit dem elektrischen Feld, was darauf hinweist, dass der Stresseffekt eine dominante Rolle bei der magnetischen Kontrolle der Probe spielt. Es ist erwähnenswert, dass die Restmagnetisierung im Restpolarisationszustand (± 0 kVcm ⁻¹ ) unterscheidet sich von + 10 kVcm ⁻¹ demonstriert durch die Großbuchstaben A und E in Abb. 3 und − 10 kVcm ⁻¹ demonstriert durch B und F, die die Restspannung vom PMN-PT-Substrat ist. Der Restpolarisationszustand ist die Remanenz von 0 kVcm ⁻¹ Zustand, der aus der PMN-PT-Substrateigenspannung abgeleitet wird, und nicht gleich bei + 10 und − 10 kVcm ⁻¹ . Sie stimmt mit der Restdehnungs-Dehnungs-Kurve in Abb. 1c überein.

a , c Die Abhängigkeit von M _r /M _s des elektrischen Felds wurde gemessen, indem das elektrische Feld von + 10 bis – 10 kVcm ^–1 . durchlaufen wurde in den Richtungen [100] bzw. [01-1]. b , d Die Abhängigkeit von M _r /M _s auf dem elektrischen Feld wurde gemessen, indem das elektrische Feld von + 5 bis − 5 kVcm ⁻¹ . durchlaufen wurde in den Richtungen [100] bzw. [01-1]. Die Zahlen und Pfeile drücken die Schritte und Richtung der Messung aus. Und die Großbuchstaben in dieser Abbildung drücken die Werte von M . aus _r /M _s bei den Restpolarisationszuständen

Wir haben Experimente zum Zusammenhang zwischen der Remanenz im ungesättigten Polarisationszustand (± 5 kVcm ⁻¹ ) mit dem elektrischen Feld in den Richtungen [100] und [01-1], um die nichtflüchtige Steuerung des elektrischen Felds widerzuspiegeln. Es zeigt sich, dass die Änderung der Remanenz mit dem elektrischen Feld auch eine Änderung der Form als schleifenartig zeigt, und die Remanenz der Probe zeigt eine gute nichtflüchtige, die von der Restpolarisationsspannung unter dem positiven und negative elektrische Felder, wie in Fig. 3b, d. gezeigt. Dies hat gute Aussichten für stresstolerante nichtflüchtige Speichergeräte.

Für Magnetspeicheranwendungen wurde die nichtflüchtige Remanenz im gepulsten elektrischen Feld erreicht, wie in Abb. 4 gezeigt. Intermittierende positive und negative elektrische Felder von ± 5 oder ± 10 kVcm ⁻¹ werden in den Richtungen [100] und [01-1] über die Probe aufgetragen. Zunächst wird das Magnetfeld auf 1200 Oe eingestellt und anschließend auf 0 reduziert. Dann bleibt das gepulste elektrische Feld zunächst bei ± 5 kVcm ⁻¹ . hängen in Richtung [100] und anschließend auf 0 reduziert mit den Ergebnissen der beiden Restpolarisationszustände, die durch die Großbuchstaben A und B in Abb. 4a dargestellt sind. Der ähnliche Fall für ± 10 kVcm ⁻¹ wurde auch als andere Restpolarisationszustände C und D in Abb. 4a beobachtet, was auch die nichtflüchtigen Zustände in unserer Probe widerspiegelt. Wenn die gepulsten elektrischen Felder an − 5 oder − 10 kVcm ⁻¹ . angelegt werden und anschließend auf 0 reduziert, können wir sehen, dass die Remanenz sofort relativ groß ist, und wenn sie auf 5 oder 10 kVcm ⁻¹ . angewendet wird und anschließend auf 0 reduziert wird die Remanenz deutlich reduziert; dieses Phänomen und der Wert von M _r /M _s mit den Ergebnissen von Abb. 3a, b übereinstimmen. Wir führten eine ähnliche Messung in der anderen Richtung der Probe durch und erhielten ähnliche Ergebnisse wie in Abb. 4b gezeigt. Es ist ersichtlich, dass vier verschiedene und stabile magnetische Restzustände durch zwei gepulste elektrische Felder geschaltet werden. Die vier Widerstandszustände E, F, G und H werden durch die gepulste elektrische Feldumschaltung von ± 5 und ± 10 kVcm ⁻¹ . erzeugt und dann sofort in Richtung [01-1] entfernt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Remanenz von Co₂ FeAl/PMN-PT heterogen ist Spannungskontrolle und realisiert so die Mehrzustandsremanenz unter dem gepulsten elektrischen Feld, die für polymorphe Speicherung verwendet werden kann.

Das normalisierte Restmagnetisierungsverhältnis M _r /M _s unter dem gepulsten elektrischen Feld. a Die Veränderung in M _r /M _s unter den gepulsten elektrischen Feldern ± 5 und ± 10 kVcm ⁻¹ entlang der [100]-Richtung. b Die Veränderung in M _r /M _s unter dem gepulsten elektrischen Feld ± 5 und ± 10 kVcm ⁻¹ entlang [01-1]-Richtung. Die Großbuchstaben in dieser Abbildung drücken die verschiedenen Restpolarisationszustände aus

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend werden die nichtflüchtigen, durch elektrische Felder vermittelten magnetischen Eigenschaften in der CFA/PMN-PT-Heterostruktur bei Raumtemperatur untersucht. Die gestreifte Domänenstruktur wurde durch die MFM-Messung im CFA-Film erhalten. Die magnetische Anisotropie wurde durch das elektrische Feld moduliert. Das durch Drehwinkel-VSM gemessene Ergebnis zeigt eine piezodehnungsvermittelte nichtflüchtige magnetische 90°-Drehung der leichten Achse bei − 0 und + 5 kVcm ⁻¹ . Darüber hinaus wird die piezodehnungsvermittelte nichtflüchtige stabile remanente Magnetisierungsumkehrung in beiden Richtungen unter positiven und negativen gepulsten elektrischen Feldern beobachtet, die zur magnetischen Speicherung verwendet werden kann [32, 33].

Abkürzungen

CFA:

Co₂ FeAl

DC:

Gleichstrom

FM/FE:

Ferromagnetisch/ferroelektrisch

ICH:

Magnetoelektrisch

MFM:

Magnetkraftmikroskopie

PMN-PT:

Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ -30% PbTiO₃

VSM:

Vibrationsprobenmagnetometer