西安交通大学Advanced Materials:可用于电压可调自旋电子学器件的离子调制重金属/磁绝缘体双层结构

cc 6年前 (2018-09-01) 5708浏览

【前言】

YIG是一种常用的磁性材料，它具有居里温度高 (TC ≈650 K) ，阻尼常数低 (α ≈10−5), 自旋传输距离长(≈1 cm), 带隙宽(Eg ≈2.85 eV)和一个铁磁谐振(FMR)线宽窄(≈1 Oe)等优点。同时YIG也是一种理想的铁磁绝缘体, 具有各种自旋电子效应, 包括spin-pumping, spin-Hall, spin-Seebeck和MPE效应等。最近研究者把大量精力投入在涉及重金属和磁性金属耦合的自旋轨道扭矩(SOT)研究，特别是在YIG/(重金属)异质结构中实现了电流驱动SOT。然而美中不足的是，当前的研究工作还没有讨论界面磁电耦合效应如何影响YIG的性质，特别是Pt与YIG的耦合效应。如果Pt和YIG之间的界面特性可以通过电压诱导费米能级位移，从而被局部电场改变，那么我们可以实现更快、更紧凑和更节能的电压调制YIG相关自旋效应，从而进一步克服目前电流调控自旋的缺点。这种离子液体调控SOT的方法也为电压可控自旋霍尔、自旋泵浦和SOT效应提供了一种新的选择。

【成果简介】

近日，来自西安交通大学的周子尧教授和刘明教授在Advanced Materials上发表文章，题为：Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage‐Tunable Spintronic Devices。作者在本研究中通过使用离子液体调控技术，在YIG/Pt双层异质结构中实现了显著的铁磁谐振变化。在4.5伏特的小偏压下，在YIG (13 nm)/Pt (3 nm)/(离子液体，IL)/(Au电容器)的异质结构中观察到690 Oe的大铁磁场位移。第一原理计算证实，该铁磁共振场位移来自电压诱导下Pt金属层中未补偿的d轨道电子费米面变化所引起额外铁磁序。本发现为实现基于YIG的新型电压可调自旋电子器件铺平了道路。

【图文导读】

图1. YIG/Pt的材料特性和MPE效应

a) GGG/YIG (35 nm)/Pt (3 nm) 样品的XRD；

b) GGG/YIG (35 nm)/Pt (3 nm) 样品的TEM图像;

c) YIG (35 nm)/Pt (3 nm) (红色三角形)和YIG (35 nm) (绿色正方形)样品的室温面内归一化磁滞回线；

d)YIG (绿色)和YIG/Pt (红色)样品在室温下的面内和面外ESR光谱；

图2. 电场调控YIG/Pt样品的磁响应

a) 离子液体调控过程的原位ESR测量示意图；

b) YIG (35 nm)/Pt/IL/Au异质结构铁磁共振长场的角度依赖性(橙色正方形=初始状态；红色圆圈= 4.5伏特)和室温下电场调控铁磁共振位移(蓝色三角形)的角度依赖性；

c) YIG (13 nm)/Pt/IL/Au系统不同电压下沿面外方向的FMR曲线；

图3. 离子液体可调谐性的厚度和温度依赖性

a) Pt沉积(红色三角形)和YIG/Pt系统上的ILG (蓝色正方形)，沿着-110°C的面外方向，FMR偏移的YIG厚度相关性；

b) 在YIG (13 nm)/Pt/IL/Au的-110°C温度下，平面外离子液体诱导的FMR位移；

c) YIG (35 nm)/Pt/IL/Au沿面外(蓝色正方形)和平面内(红色圆圈)方向铁磁共振场位移的温度依赖性；

d) 室温下沿面外方向YIG (35 nm)/Pt (3 nm)的可回复性测试；

图4. YIG/Pt系统中ILG的第一原理计算

a) YIG/Pt/IL/Au系统示意图；

b, c) 作为Pt0 (b)和Pt5+ (c)能量函数的状态密度；

e, f) Pt0 (e)和Pt5+ (f)的d轨道自旋密度图；

图5. 基于YIG/Pt和YIG/ Pt/IL的微波响应装置

a) 增加调控电压与测量的Hr场关系；

b) 铂离子磁性与电荷的关系；

c) 由磁场驱动的常规可调微波器件；

d )新型电压调谐的YIG/Pt/IL微波器件；

【总结】

本文通过对YIG/Pt双层结构中磁有序的离子调制，以及由此产生的铁磁共振场位移，实现了使用离子液体的电压可调YIG薄膜结构。其中电压可调铁磁共振场高达690 Oe，这比以前报道的结果大一个数量级。第一原理计算揭示出，电压可调的铁磁共振场变化来源于一种新的电场诱导Pt薄膜上的铁磁序。离子液体可调的YIG/重金属双层结构具有很大的科学价值，并且该结构在新型电压可调YIG微波器件和自旋电子器件中也将有广泛的应用。

文献链接：Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage‐Tunable Spintronic Devices, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201802902)

集成磁电材料与器件团队是青年千人刘明教授2013年9月全职回国后组建的，是具有鲜明特色的交叉学科科研团队，涉及电子科学与技术、材料学、物理学、等多个学科领域。团队拥有4名教授，2名讲师、2名专职科研博士后，20余名研究生。自团队组建以来，先后承担了国家重点研发计划、国家基金委重点及面上、教育部联合基金等国家级项目，发表论文100余篇。特别是自2017年以来，团队以西安交通大学作为第一作者和通讯作者单位先后发表Nature Communications 1篇（被编辑选为亮点文章），Advanced Materials 4篇（其中2篇被选为内封面），Advanced Functional Materials 1篇 （被选为内封面），ACS Nano 4篇，研究成果得到了本学术领域的广泛关注和高度评价。

文章汇总
NC一篇
Q. Yang, L. Wang, Z. Zhou*, S. Zhao, G. Dong, Y. Chen, T. Min, M. Liu*, Ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB/Ru/FeCoB and (Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2 multilayers， Nature Communication, 9, 991 (2018)
AM4篇
1. M. Guan, L. Wang, S. Zhao, Z. Zhou*, G. Dong, W. Su, T. Min, J. Ma, Z. Hu, W. Ren, Z.-G. Ye, C.-W. Nan, M. Liu*,Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage‐Tunable Spintronic Devices, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201802902)
2. Q. Yang, Z. Zhou*, L. Wang, H. Zhang, Y. Cheng, Z. Hu, B. Peng, and M. Liu*, Ionic Gel Modulation of RKKY Interactions in Synthetic Anti-Ferromagnetic Nanostructures for Low Power Wearable Spintronic Devices, Advanced Materials, 30, 1800449, (2018)
3. Shishun Zhao, Lei Wang, Ziyao Zhou*, Chunlei Li, Guohua Dong, Le Zhang, Bin Peng, Tai Min, Zhongqiang Hu, Jing Ma, Wei Ren, Zuo-Guang Ye, Wei Chen, Pu Yu, Ce-Wen Nan, Ming Liu*, Ionic-Liquid-Gating Control of Spin Reorientation Transition and Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy, Advanced Materials (2018, 12:e1801639.)
4. S. Zhao, Z. Zhou*, B. Peng, M. Zhu, M. Feng, Q. Yang, Y. Yan, W. Ren, Z-G Ye, Y. Liu, M. Liu*, “Quantitative Determination on Ionic Liquid Gating Control of Interfacial Magnetism” Advanced Materials, 29, 1606478 (2017) (Inside cover)
AFM1篇
M. Zhu, Z. Zhou*, B. Peng, S. Zhao, Y. Zhang, G. Niu, W. Ren*, Z-G Ye, Y. Liu, M. Liu*, “Modulation of spin dynamics via voltage control of spin-lattice coupling in multiferroics”, Advanced Functional Materials, 27, 1605598 (2017) (Inside cover)
ACS nano 4篇
1. Shishun Zhao, Ziyao Zhou* , Chunlei Li, Bin Peng, Zhongqiang Hu , and Ming Liu*，Low-Voltage Control of (Co/Pt)x Perpendicular Magnetic Anisotropy Heterostructure for Flexible Spintronics，ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.8b03097 (2018)
2. G. Dong, Z. Zhou*, M. Guan, X. Xue, M. Chen, J. Ma, Z. Hu, W. Ren, Z. Ye, C. Nan, M. Liu*, Thermal Driven Giant Spin Dynamics at Three-Dimensional Heteroepitaxial Interface in Ni0.5Zn0.5Fe2O4/BaTiO3-Pillar Nanocomposites, ACS Nano,12，3751-3758 (2018)
3. B. Peng, Z. Zhou*, T. Nan, G. Dong, M. Feng, Q. Yang, X. Wang, S. Zhao, D. Xian, Z.-D. Jiang, W. Ren, Z.-G. Ye, N. X. Sun, M. Liu*, “Deterministic Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy by Voltage Control of Spin Reorientation Transition in (Co/Pt)3/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 Multiferroic Heterostructures”, ACS Nano, 11, 4337-4345 (2017)
4. X. Xue, Z. Zhou*, G. Dong, M. Feng, Y. Zhang, S. Zhao, Z. Hu, W. Ren, Z.-G. Ye, Y. Liu, M. Liu*, “Discovery of Enhanced Magnetoelectric Coupling through Electric Field Control of Two-Magnon Scattering within Distorted Nanostructures”, ACS Nano, 11, 9286-9293 (2017)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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