半导体所王开友Nature Materials: 铁磁铁电杂化结构中电场诱导磁化转向的电场控制

【引言】 

利用磁体进行信息记录的器件都需要控制磁体的磁距，即使得磁体的磁矩翻转（磁化反转），从而实现 “0”和 “1” 的信息转化。传统的磁性随机存取存储器是利用外磁场来实现磁化反转，磁场设备庞大复杂，给人带来很多不便，另外耗能较高。具有高垂直反演非对称性的重金属/铁磁体结构，当对其施加一个电流，其能产生相应的自旋电流，从而对磁化方向进行控制。基于该结构的磁性存储设备，不需要外加磁场控制，引起了人们的广泛关注。但现在这种利用自旋轨道矩磁性存储设备的可控制性和可靠性都不高，这严重阻碍了其的应用，是厄待解决的问题。

【成果简介】

近日，来自中科院半导体所王开友（通讯作者）等人制备一种铁磁铁电杂化结构材料，其能实现很好的电场诱导磁化转向的电场控制，大大推动了利用自旋轨道矩磁性存储设备的应用。

作者在PMN-PT衬底上溅镀沉积Pt(4nm)/CoNiCo(0.4/0.2/0.4nm)/Pt(2nm)多层薄膜，从而制备出了这种铁磁铁电杂化结构材料。作者利用PMN-PT衬底产生电场来控制铁磁铁电杂化结构中铁磁中的自旋轨道距，从而实现了在没有外磁场的条件下对磁化反转的控制。而且通过调节施加在PMN-PT衬底上的电场可以完成对磁化方向的控制，从而赋予了这种材料可编译的功能，在PMN-PT衬底上的电场与传统磁性随机存取存储器中的外磁场作用相同。作者还通过宏自旋计算和微磁学模拟证明了电场可以让CoNiCo铁磁体中产生额外的自旋轨道距。

作者发现和设计的这种材料在自旋电子存储器和逻辑设备中有巨大的应用潜力，大大推动了铁磁铁电杂化结构材料的发展。

【图文导读】

图1  器件结构的原理图和器件中电流转向的测量

（a）器件的结构。霍尔交叉处沿侧向方向宽度为8μm,为了探测霍尔电压，横向方向宽度设计为2μm。CoNiCo/Pt点是直径为3μm的圆形物。插图是沉积的堆叠的横截面图，绿色的箭头代表的是Co/Ni/Co容易转向的磁轴。

（b）器件在垂直方向磁场下反常霍尔电阻回路图。

（c）在Hx =+3 Oe和Hx =-3 Oe的面内磁场下，依据反常霍尔效应探测到的电流诱导磁化转向。

（d）在没有面内磁场的条件下，电流诱导确定的磁化转向。

图2  无外磁场条件下电流脉冲诱导的磁化转向的电场控制

  （a）测量的装备原理图。施加于PMN-PT衬底的电场方向沿x轴，两个电极之间的距离为1mm。在电流反转测量的过程中，施加于PMN-PT衬底的电场是撤掉的。

（b）PMN-PT衬底被+500v电压极化后，电流诱导的磁化转向。

（c）PMN-PT衬底被-500v电压极化后，电流诱导的磁化转向。

（d）底层为3nm厚Pt层的器件被施加一系列脉冲电流的磁化转向。另外，小电流I_M (∼0.1 mA)也被施加于器件上，是为了测量霍尔电阻从而区分磁化状态。

图3  磁化转向的原因

（a）当被注入电流时，铂中由自旋霍尔效应引起的自旋分布。

（b）当被注入正电流+I时，PMN-PT衬底与底层Pt层之间界面的电压分布。

（c）在垂直电场条件下，PMN-PT/ Pt界面层由自旋轨道耦合引起的自旋分布。

（d）当被注入负电流-I时，PMN-PT衬底与底层Pt层之间界面的电压分布。

（e）Ep >0时，由自旋霍尔效应和自旋轨道耦合叠加在CoNiCo磁体中产生的自旋轨道距的图解。

（f）Ep <0时，由自旋霍尔效应和自旋轨道耦合叠加在CoNiCo磁体中产生的自旋轨道距的图解。

图4  自旋电流密度分布和磁化转向

（a）四种条件下（J >0 Ep >0，J >0 Ep <0，J <0 Ep >0，J <0 Ep >0），PMN-PT衬底与底层Pt层之间界面电流密度分布。

（b）根据∂Js/∂x<0计算所得的转向循环图，对应PMN-PT衬底上施加负电压。

（c）根据∂Js/∂x >0计算所得的转向循环图，对应PMN-PT衬底上施加正电压。

【小结】

他们设计开发的这种铁磁铁电杂化结构材料，能够实现电场对电流诱导的磁化反转很好的控制，在可编译的非挥发磁性存储器有巨大应用前景。而且，由于电场能够对磁化方向进行控制，让一个或二个磁比特实现多个功能逻辑成为可能。这种材料能让器件的设计更为简单，大大信息科技的发展。

文献链接：Electric field control of deterministic current-induced magnetization switching in a hybrid ferromagnetic/ ferroelectric structure（Nature Materials,2017, DOI:10.1038/NMAT4886）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）

材料测试，数据分析，上测试谷！