清华大学于浦团队Nat. Commun.：奇妙的氧离子栅极实现室温下快速的磁电耦合

【引言】

在材料中实现有效的即磁电耦合，是实现下一代高速、低功率自旋电子器件的关键途径之一。长期以来，研究者一直在努力探索具有显著室温磁电耦合效应（即通过电场实现对于磁性的有效、可逆调控）的材料体系和物理效应。最近人们在金属-氧化物复合结构体系中通过电场控制金属内部的氧化、还原反应而实现了基于氧离子迁移的磁电耦合效应。该机制的优势在于结构简单、调控有效，而且与现有的半导体技术具有良好的兼容性。但同时该机制也面临着两个明显的缺陷，首先是氧离子在金属内部的注入或抽取需要高温环境（约100摄氏度）以促进离子的有效扩散。其次，为实现有效调控需要施加几十甚至上百秒的持续电场。以上问题极大地限制了离子型磁电耦合器件的实际器件应用。

【成果简介】

近日，来自清华大学的于浦教授 (通讯作者)等人在Nat. Commun.上发布了一篇关于磁性材料的文章，题为“Electric-field control of ferromagnetism through oxygen ion gating”。该工作通过电场调控氧离子栅极与磁性金属界面处的磁相互作用，在室温下实现了快速的磁电耦合效应和阻变存储，使得氧离子型磁电耦合器件的工作速度得到了大幅度的提高。该工作实现了离子电子学和自旋电子学的学科交叉，拓展出一种新型的离子器件研究思路。
于浦教授的研究团队在其近期关于双离子、三态调控（Nature 546,124 (2017)）的研究基础上，开创性的利用具有良好氧离子迁移特性的SrCoO_2.5与金属钴（Co）组成异质结构，并通过利于电压控制氧离子在SrCoO2.5内部的快速迁徙，实现了氧离子型栅极对金属钴磁性的快速调制。该研究思路在保持原有方案的简洁、便利等优势前提下，将磁性的翻转速度大幅度提高到目前的亚毫秒量级，并且还有望通过优化器件构型近一步提高。他们发现该磁电耦合效应还伴随着非易失性的双极性电阻转变变效应，意味着可以在该简单模型单元上实现同时具有阻变存储和磁电耦合效应的多功能器件。

【图片导读】

图1 Co/SrCoO_2.5原型器件的结构示意及阻变效应。

(a) Co/SrCoO_2.5原型器件的结构及原位MOKE测试示意图；

(b) 器件的I-V特性曲线；

(c) 电阻变化随脉冲电压变化曲线；

(d) 电阻状态随脉冲宽度变化曲线。

图2 Co/SrCoO_2.5中的室温磁电耦合

(a) 不同Co厚度的Co/SrCoO_2.5器件的面内磁光克尔曲线；

(b-c) Co/SrCoO2.5器件在高电阻态(红色)和低电阻态(海军蓝)状态下的室温磁滞回线；

(d) 不同阻态下，器件矫顽场的可逆调制。

图3 Co/SrCoO_2.5的界面氧离子迁移

(a) 样品横截面低分辨率TEM图像；

(b) 原始状态下Co/SrCoO2.5异质界面的HRTEM图像；

(c) 高电阻状态下Co/SrCoO2.5异质界面的HRTEM图像，界面处有富氧的无序层出现；

(d) 无序层的高分辨TEM图像及FFT变换得到的相应衍射花样；

(e) 低电阻状态下Co/SrCoO2.5异质界面的HRTEM图像；

(f) 导电通道处的高分辨TEM图像及FFT变换得到的相应衍射花样；

(g) 电场驱动下，异质界面处氧离子演化的示意图；

(h) 界面处无序层和导电通道的Co L-edge EELS光谱。

图4 氧离子栅极对Co金属层的界面磁电耦合调控

(a) Co颗粒薄膜中磁性相互作用的示意；

(b) 氧离子栅极对Co层磁各向异性调制示意图;

(c) Co/SrCoO_2.5异质结构中磁电耦合；

(d) 通过限流形成不同的低阻态，实现氧离子浓度相关的多态存储。

【小结】

这篇文章介绍了Co/SrCoO_2.5异质结构作为模型系统，利用SrCoO_2.5内禀的高氧离子迁移率，实现了利用氧离子栅极在室温下的快速磁电耦合。该成果将将离子型磁电耦合和离子型阻变效应结合在一起，实现了离子电子学、自旋电子学的交叉，构建了与现代半导体技术兼容的多功能器件。同时，该项研究进一步拓展了人们对于电场调控结构相变及相关物性的认识，为离子调控领域提供了重要的启发和借鉴。

【团队介绍】

清华大学物理系于浦副教授为该文章的通讯作者。物理系博士后李好博为第一作者。合作者包括清华大学材料学院南策文、马静研究组、物理所谷林研究组、金魁研究组和南开大学的刘晖研究组。该课题是在科技部、自然科学基金委、清华大学自主科研计划、低维量子物理国家重点实验室和北京未来芯片技术高精尖创新中心等经费的支持下完成。

文献链接：Electric-field control of ferromagnetism through oxygen ion gating (Nat. Commun., 21 December, 2017 , DOI: 10.1038/s41467-017-02359-6）

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