西交大Nature子刊：通过离子液体调控人工反铁磁材料中的RKKY效应

【引言】

反铁磁自旋电子学是如今自旋电子领域的研究热点。由于其具备优异的抗干扰性，高达THz的响应速度，良好的兼容性而受到广泛关注。然而反铁磁中的自旋反平行排列也使得其对外界磁场很不敏感，因而对反铁磁磁性进行有效控制一直是一个难以解决的问题。目前常用的方式是基于自旋极化电流对其进行操作，然而这需要电流密度高达10⁶~10¹¹A/m²，因此该方式不仅会带来散热和能耗的问题，而且在实际应用中也是难以实现的。

【成果简介】

近日，西安交通大学电信学院刘明教授团队利用人工反铁磁取代传统反铁磁材料，并通过离子液体调控其内部的Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida (RKKY) 效应。在具有面内磁易轴的FeCoB/Ru/FeCoB 和具有面外磁易轴(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂的人工反铁磁中均在室温下实现了低电压调控铁磁-反铁磁耦合。在2.5 V的偏置电压下，磁光克尔成像系统可以观察到高达80%的电致磁畴翻转。第一性原理计算得到的结果和实验数据十分吻合。该理论证实了离子液体调控RKKY效应是电压改变铁磁层的费米能级进而改变人工反铁磁中的层间耦合能所致。这项工作为低电压实现可切换的铁磁-反铁磁自旋器件打下坚实基础，并且也为深入理解离子液体调控磁性过程提供理论平台。

【图文导读】

图1 人工反铁磁的微观结构和基本磁性表征

(a) FeCoB (1.5 nm)/Ru (0.95 nm)/FeCoB (1.5 nm)的横截面TEM图片，II 是I的局部放大图，可以清晰地看到层状结构；II 中的比例尺是20 nm, I 中是5 nm；

(b)和(c) 是FeCoB (1.5 nm)/Ru (t_Ru)/FeCoB (1.5 nm)人工反铁磁的磁滞回线Ru厚度依赖特性；单、双回线分别对应铁磁、反铁磁耦合；

(d) (Pt 9 Å/Co 7.5 Å)₂/Ru (0.95 nm)/(Co 7.5 Å/Pt 9 Å)₂的横截面TEM图片，II 是I的局部放大图，II中的比例尺是50 nm，I中是5 nm；

(e)和(f) 是(Pt 9 Å/Co 7.5 Å)₂/Ru (t_Ru)/(Co 7.5 Å/Pt 9 Å)₂人工反铁磁的磁滞回线Ru厚度依赖特性；

(g-l) 在极性MOKE模式下观察到的 (Pt 9 Å/Co 7.5 Å)₂/Ru (0.95 nm)/(Co 7.5 Å /Pt 9 Å)₂/Ta (3.5 nm)结构的垂直动态磁化反转，比例尺50 μm；

(g-i) 是磁场从+1000降到0 Oe所发生的第一次磁畴翻转过程；

(j-l) 是磁场从0降到-1000 Oe所发生的第二次磁畴翻转过程；

(g) 图左上角插图是磁畴翻转过程相对应的磁滞回线；所有测试均在室温下完成。

图2 离子液体调控FeCoB / Ru / FeCoB 人工反铁磁中的RKKY效应

(a) 面内体系的离子液体调控示意图；

(b-f) 电压对RKKY效应的调控作用；图中是对不同Ru厚度的样品进行原位磁滞回线测量； 外加磁场沿着磁易轴方向，即面内方向；除了Ru厚度在改变以外，其余层的厚度与图1一致。

图3 电压调控(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂ 人工反铁磁中的RKKY效应　

(a) 面外体系的离子液体调控示意图；

(b-i) 不同Ru厚度下电压对RKKY效应的调控作用；外加磁场沿着磁易轴方向，即面外方向；结果显示了在离子液体调控过程当中人工反铁磁具有丰富的磁学行为，可以实现单-双-三回线之间的转换，表明人工反铁磁可以实现铁磁-反铁磁耦合之间的转变；除了Ru厚度在改变以外，其余层的厚度与图1一致。

图4 对离子液体调控RKKY效应的讨论和总结

(a) 离子液体调控过程中薄膜界面双电层（Electric double layers,EDL）中离子聚集示意图；

(b) 典型双-三磁滞回线的转换及相应磁矩的变化；所选取的人工反铁磁结构是FeCoB (1.5 nm)/Ru (0.92 nm)/FeCoB (1.5 nm) ；

(c)面内及(d)面外RKKY 调控效应相图，总结了磁滞回线随Ru厚度及外加电场的变化。

图5 电场调制(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂中磁畴翻转

(a) t_Ru = 0.92 nm 时样品的磁滞回线；

(b)和(c)是该样品在电压为0v及4v时的磁畴图；

(d) t_Ru = 0.9 nm 时样品的磁滞回线；

(e-i) 是电压变化所对应的磁畴变化图；磁畴翻转比例的确定：首先计算亮区（b，c）和暗区（e-i）所占比值，然后用磁化饱和时的值进行归一化。

图6 人工反铁磁的层间交换耦合能仿真

(a) 仿真模型示意图；在外加电压的作用下铁磁层（FM）的化学势 (费米能) 会发生变化，红线代表压降；

(b)和(c) 分别代表CoFe(1.5 nm)/Ru(1.1 nm)/ CoFe (1.5 nm)和[Pt(0.88 nm)|Co(0.70 nm)]₂/Ru(0.88 nm)/[Co(0.70 nm)|Pt(0.88 nm)]₂人工反铁磁中层间交换耦合能随电压的变化；其中x代表铁磁和Ru界面的无序度，我们讨论了5种情况；

(d)和(e) 代表电压作用下CoFe (x=0.5)及Co|Pt (x=0.1)的布里渊区能量分布图；红色和蓝色分别代表铁磁和反铁磁耦合。

【总结与展望】

该工作系统研究了Au/[AAIM]+[TFSI]-/FM/NM/FM人工反铁磁中离子液体对RKKY效应的调控，在面内和面外系统中均实现了单-双-三回线间的转换。该成果仅需要≦4V的电压就能实现铁磁-反铁磁耦合的调控，相对于高电流密度的调控方法，其更容易在电子设备中实现，从而为新型磁电自旋器件的设计和研发打下了基础。此外，本工作实现了电控磁畴的可视化研究并且基于理论计算对电场调控RKKY效应的实验现象进行解释，为利用离子液体调控电子自旋的进一步研究提供了实验和理论依据。

【鸣谢】

该成果已在综合性知名期刊Nature Communications上在线发表，该项工作是西安交通大学电信学院博士生杨曲在导师刘明教授以及周子尧教授指导下完成的。西安交通大学电信学院电子材料与器件教育部重点实验室为该论文的第一作者和通讯作者单位。材料学院闵泰千人团队青年教师王蕾作为共同第一作者开展了第一性原理计算。北师大夏柯教授作为通讯作者也参与了本项研究工作。该研究工作是刘明教授团队在电控磁领域继2017年Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano后的又一重大突破。该研究得到了中组部“青年千人”项目、国家自然科学基金面上及重点项目等支持。刘明教授团队主页。

文章链接：Ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB/Ru/FeCoB and (Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂ multilayers (Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03356-z)

本文由西安交通大学刘明教授团队供稿，特此感谢！

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