Elektrisches-Feld-Kontrolle nicht-flüchtiger Magnetismus in Co₂FeAl/PMN-PT-Heterostrukturen bei Raumtemperatur

Zusammenfassung

Wir demonstrieren, dass ein halbmetallischer Heusler-Legierung, Co₂FeAl, auf einem Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃ (PMN-PT) piezoelektrischen Substrat abgeschieden, nicht-flüchtige, elektrisch-feld-induzierte Änderungen seiner magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur aufweist. Durch Anlegen gepulster elektrischer Felder entlang der [100]- und [01–1]-Kristallachsen erreichen wir zwei stabile, riesige remanente Magnetisierungszustände, die nach Entfernen des Feldes persistieren. Der Effekt stammt vom großen Piezo-Dehnungsfeld, das in der PMN-PT-Schicht erzeugt wird, und bietet einen gangbaren Weg für magnetoelektrische Speicherbauelemente.

Hintergrund

Die wachsende Nachfrage nach hochgeschwindigen, energiesparenden und nicht-flüchtigen Informationsspeichern hat das Interesse an magnetoelektrischer (ME) Kopplung in ferromagnetisch/ferroelektrischen (FM/FE) Heterostrukturen geweckt. ME-Kopplung entsteht hauptsächlich durch drei Mechanismen: Piezo-Dehnung, Ladung und Austausch-Bias. Der Piezo-Dehnungs-Effekt ermöglicht insbesondere, dass ein angelegtes elektrisches Feld Dehnung in der ferroelektrischen Schicht erzeugt, die wiederum die magnetische Anisotropie eines angrenzenden Ferromagneten moduliert. PMN-PT mit seinem großen d₃₃-Piezoelektrischen Koeffizienten wird häufig als ferroelektrische Komponente eingesetzt, da seine Dehnung effizient auf den magnetischen Film übertragen werden kann. Co₂FeAl (CFA), eine halbmetallische Heusler-Legierung, ist aufgrund seiner niedrigen Dämpfung, hohen Spinpolarisation und Curieschen Temperatur über 1000 K eine attraktive FM-Wahl, was es ideal für spintronische Anwendungen macht. Frühere Arbeiten zeigten, dass elektrisch-feld-induzierte Dehnung die magnetische Easy-Achse in FM/FE-Doppelschichten drehen kann, aber eine klare Demonstration nicht-flüchtiger, reversibler Magnetisierungskontrolle bei Raumtemperatur blieb bisher aus. In dieser Studie schließen wir diese Lücke, indem wir zeigen, dass eine CFA/PMN-PT (011) Heterostruktur zwei distinkte remanente Magnetisierungszustände nach Entfernen des elektrischen Feldes beibehält – ein Kennzeichen nicht-flüchtiger Operation, geeignet für Speichertechnologien.

Methoden

Die Heterostruktur besteht aus einem 40 nm CFA-Film, der auf ein (011)-orientiertes PMN-PT-Substrat aufgesputtert wurde. DC-Magnetronsputtern wurde bei 600 °C unter einem Ar-Druck von 0,1 Pa (10 SCCM) durchgeführt. Der Basisdruck betrug 2 × 10⁻⁵ Pa. Platin-Elektroden (10 nm oben, 50 nm unten) wurden von einem 2 mm Target abgeschieden. Cu-Drähte wurden mit leitfähigem Kleber an die Elektroden angebunden. Statische magnetische Eigenschaften wurden mit einem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM, MicroSense EV9) gemessen, während eine DC-Spannung von einer Keithley 2410 Quelle an die piezoelektrische Schicht angelegt wurde. Magnetische Domänenbilder wurden durch magnetische Kraftmikroskopie (MFM) mit einem Asylum Research© MFP-3D-System und weichen magnetischen Spitzen, die senkrecht zur Probenebene magnetisiert waren, aufgenommen. Alle Messungen erfolgten bei Umgebungstemperatur.

Ergebnisse und Diskussion

Die CFA/PMN-PT-Heterostruktur ist in Abb. 1a dargestellt, mit dem in-plane Koordinatensystem in Abb. 1b. Das effektive elektrisch-feld-induzierte Dehnungsfeld (Hσ) ist orthogonal zum magnetischen Anisotropiefeld (Hk). Wir definieren die [100]-Richtung als 0° und [01–1] als 90° (siehe Abb. 1b). Die PMN-PT-Polarisations-elektrisches-Feld-Schleife (P–E, 1 Hz) und die Dehnungs-elektrisches-Feld-Kurve (S–E), gemessen mit ferroelektrischen und Dehnungsmessgeräten, sind in Abb. 1c dargestellt und zeigen eine Sättigungspolarisation von ≈25 µC cm⁻² und ein koerzitives Feld von ≈100 V (2,5 kV cm⁻¹). MFM-Bildgebung nach Entfernen eines 1000 Oe-Feldes (Abb. 1d) zeigt ein Streifendomänenmuster, was auf starke senkrechte magnetische Anisotropie hinweist. Hysterese-Schleifen, gemessen entlang [100] und [01–1] unter elektrischen Feldern von ±0 und ±5 kV cm⁻¹ (Abb. 2a), bestätigen klare in-plane Anisotropie. Die Easy-Achse liegt entlang [100] im remanenten Polarisationzustand (−0 kV cm⁻¹), während eine 90°-Drehung auftritt, wenn das Substrat auf +5 kV cm⁻¹ polarisiert wird (Abb. 2b). Die Anisotropie verschwindet im +0 kV cm⁻¹ Zustand (Abb. 2c) und tritt entlang [100] wieder auf, wenn das Feld auf –5 kV cm⁻¹ geschaltet wird (Abb. 2d). Rotations-VSM-Messungen (Abb. 2e) zeigen, dass die relative remanente Magnetisierung (Mr/Ms) einer sinusförmigen Abhängigkeit vom Azimutwinkel folgt, wobei die Easy-Achse um 90° rotiert, wenn das elektrische Feld variiert. Die elektrisch-feld-Abhängigkeit der remanenten Magnetisierung wurde weiter untersucht, indem E von +10 auf –10 kV cm⁻¹ gesweept wurde nach Demagnetisierung der Probe (Abb. 3a,c). Die resultierenden schmetterlingsförmigen Mr/Ms-Kurven spiegeln das S–E-Verhalten wider, was bestätigt, dass Dehnung die Magnetisierungskontrolle dominiert. Residuale Magnetisierung im remanenten Polarisationzustand (±0 kV cm⁻¹) unterscheidet sich von der nach ±10 kV cm⁻¹, was die intrinsische Restspannung des PMN-PT-Substrats widerspiegelt. Um nicht-flüchtige Kontrolle zu demonstrieren, wurden gepulste elektrische Felder von ±5 oder ±10 kV cm⁻¹ angelegt, während die Probe zuerst bei 1200 Oe gesättigt und dann auf null Feld gebracht wurde (Abb. 4). Die resultierenden Mr/Ms-Werte (bezeichnet A–H) zeigen vier distinkte, stabile Zustände, die nach Entfernen des Pulses persistieren, sowohl entlang [100] als auch [01–1]. Dieses Mehrzustands-Verhalten illustriert das Potenzial der piezodehnungs-vermittelten Kontrolle für polymorphe Speicherbauelemente.

Schlussfolgerungen

Wir haben gezeigt, dass eine CFA/PMN-PT-Heterostruktur nicht-flüchtige, elektrisch-feld-induzierte Modulation der magnetischen Anisotropie und remanenten Magnetisierung bei Raumtemperatur aufweist. Die durch MFM beobachtete Streifendomänenstruktur und die 90°-Drehung der Easy-Achse unter ±5 kV cm⁻¹ bestätigen die piezodehnungs-vermittelte Kontrolle. Zudem erzeugen gepulste elektrische Felder vier stabile remanente Zustände, was einen Weg zu mehrstufigen magnetoelektrischen Speicherbauelementen bietet.

Abkürzungen

CFA

Co₂FeAl

DC

Gleichstrom

FM/FE

Ferromagnetisch/ferroelektrisch

ME

Magnetoelektrisch

MFM

Magnetische Kraftmikroskopie

PMN-PT

Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–30%PbTiO₃

VSM

Vibrationsprobenmagnetometer