宋驍 高興森? 劉俊明

1)(華南師范大學(xué),先進(jìn)材料研究所及量子調(diào)控工程與材料廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

2)(南京大學(xué),固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,南京 210093)(2018年6月24日收到;2018年7月10日收到修改稿)

1 引 言

近20年來(lái),多鐵性材料研究發(fā)展迅猛,已成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重要內(nèi)容.有關(guān)多鐵性材料所蘊(yùn)含的電子-自旋-晶格相互交叉耦合所帶來(lái)的豐富多彩的新穎物性及在器件上的潛在用途,前人已有系統(tǒng)綜述[1?9].近年來(lái),利用多鐵異質(zhì)結(jié)進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)控磁性也引起了廣泛關(guān)注[10?12].在現(xiàn)代電子學(xué)器件(如磁內(nèi)存,磁隨機(jī)存儲(chǔ)器件)中,主要依靠電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)或者自旋轉(zhuǎn)移扭矩(spin transfer torque)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入和擦除,而這需要巨大電流密度(106—108A/cm2),從而帶來(lái)較大能耗、發(fā)熱并導(dǎo)致復(fù)雜的器件架構(gòu)[13?17].如果采用多鐵異質(zhì)結(jié)實(shí)施電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖1)[5,18],則有望大幅降低這類器件的能耗并簡(jiǎn)化器件架構(gòu),形成新一代的磁電存儲(chǔ)(MERAM)、邏輯和自旋電子學(xué)器件.隨著當(dāng)前大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)高密度、高速、長(zhǎng)壽命、低能耗信息存儲(chǔ)和處理器件的需求日益增長(zhǎng),對(duì)現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),而基于多鐵異質(zhì)結(jié)的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)技術(shù)有望為未來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理帶來(lái)一種顛覆性的解決方案,也因此在短短幾年成長(zhǎng)為多鐵性材料的研究熱點(diǎn)[10?12,19?24].

近十年來(lái),科學(xué)家們已探索了眾多不同材料組分和結(jié)構(gòu)的多鐵性異質(zhì)結(jié)體系,取得了一系列激動(dòng)人心的突破,并揭示了多種新穎的電控磁機(jī)理,主要可歸納為以下幾類:界面應(yīng)力媒介型[25]、界面磁交換耦合型[26]、電荷媒介型[27,28]、界面軌道雜化型[29].這些發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控磁性提供了多種有效手段,也為新一代磁電器件,包括磁電內(nèi)存、磁電邏輯、電輔助磁存儲(chǔ)介質(zhì)、電場(chǎng)可調(diào)微波器件等[5,11,30]的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了依據(jù).這些重要成果,體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外科學(xué)家發(fā)表的一系列綜述論文之中[24?37], 例如Vaz[10]、Sun[11]、Ramesh[26]、南策文[5,30]、劉俊明[31]、段純剛[32]、張金星[33]、宋成[6]、高興森[34]等課題組已從不同角度對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)展做了總結(jié).

圖1 磁存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)示意圖 (a)磁隨機(jī)存儲(chǔ)器件單元結(jié)構(gòu);(b)設(shè)想的基于電控磁的磁電隨機(jī)存儲(chǔ)器件(MERAM)單元[5];(c)磁電存儲(chǔ)器件陣列結(jié)構(gòu)示意圖[18]Fig.1.Schematics of magnetic memory devices:(a)Simplif i ed unit cell structure of magnetic random access memory;(b)unit cell structure of magnetoelectric memory device[5];(c)crossbar architecture of a high-density magnetoelectric memory device[18].

隨著電控磁研究的快速發(fā)展,開(kāi)始向高密度器件應(yīng)用研究推進(jìn),微型化問(wèn)題也變得越發(fā)重要,尤為迫切的是探索微小尺度器件單元內(nèi)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)的行為.而當(dāng)磁性材料縮小到微納尺度,尺寸和表面效應(yīng)作用凸顯,特別是形狀各向異性(退磁化能)和疇壁能變大,顯著影響磁疇結(jié)構(gòu)及磁反轉(zhuǎn)行為.這也導(dǎo)致微型化多鐵異質(zhì)結(jié)中電控磁反轉(zhuǎn)行為表現(xiàn)出與傳統(tǒng)薄膜或塊體異質(zhì)結(jié)不同的新特點(diǎn)[38,39],同時(shí)也帶來(lái)了幾種調(diào)控新方法,如形狀各向異性輔助應(yīng)力調(diào)控以及基于交換耦合的電控磁翻轉(zhuǎn)等,并初步實(shí)現(xiàn)了微納尺度電驅(qū)動(dòng)往復(fù)磁反轉(zhuǎn).這些進(jìn)展為進(jìn)一步建構(gòu)電控磁器件打下了很好的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ),同時(shí)也需意識(shí)到微型化過(guò)程還面臨諸多挑戰(zhàn),因此有必要對(duì)該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和其中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié).

本文主要回顧了近年來(lái)微納尺度多鐵異質(zhì)結(jié)的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)的研究進(jìn)展,而有關(guān)薄膜和塊體的電控磁研究已有系統(tǒng)總結(jié)[24?39],這里不再贅述.本文著重介紹了微納尺度電控磁的幾種新特點(diǎn)、新方法和新機(jī)理,最后針對(duì)器件化需求梳理了納米尺度電控磁中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題,并對(duì)未來(lái)研究工作進(jìn)行了展望.

2 應(yīng)變媒介耦合機(jī)理驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)

當(dāng)前,通過(guò)多鐵異質(zhì)結(jié)的界面應(yīng)變媒介耦合機(jī)理來(lái)進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)控磁性的方法已得到廣泛研究.這類異質(zhì)結(jié)主要由壓電層(如Pb(Mg2/3Nb1/3)-PbTiO3(PMN-PT)的單晶襯底)和鐵磁層形成的雙層或多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成.通過(guò)外加電場(chǎng)在鐵電層產(chǎn)生壓電應(yīng)變并傳遞給鐵磁層,而后者則通過(guò)逆磁致伸縮效應(yīng)來(lái)改變磁彈各向異性,最終使得鐵磁層的磁化強(qiáng)度產(chǎn)生變化或產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn).在薄膜或塊體多鐵異質(zhì)結(jié)中,通過(guò)應(yīng)變媒介機(jī)理,已實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)改變鐵磁層的磁化強(qiáng)度[40]、矯頑場(chǎng)[41]、各向異性易磁軸[42],也實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)磁化方向90?翻轉(zhuǎn)[43?45].當(dāng)尺度縮小后,形狀各向異性為這類電控磁提供了新的自由度和調(diào)控新方法,下面分類介紹這方面的進(jìn)展.

2.1 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)90?磁化翻轉(zhuǎn)

上面提到,在薄膜或塊體異質(zhì)結(jié)中,電場(chǎng)可通過(guò)應(yīng)變媒介驅(qū)動(dòng)磁各向異性易磁軸90?轉(zhuǎn)動(dòng),從而誘導(dǎo)磁化方向90?重定向.微型化后,其具體翻轉(zhuǎn)特性則有所不同.如Finizio等[46]在(110)取向的PMN-PT襯底上生長(zhǎng)2μm大小的Ni微米點(diǎn)并觀測(cè)了電控磁疇變化(如圖2(a)和圖2(b)所示).可以看到,由于退磁化作用,初始磁疇顯示出流量閉合渦狀態(tài);在壓電襯底施加正電壓后,襯底產(chǎn)生x方向拉伸,易磁軸轉(zhuǎn)向y軸方向;而施加負(fù)電壓后,易磁軸轉(zhuǎn)向x軸方向,不過(guò)其整體鐵磁疇還是保持流量閉合渦旋態(tài).

圖2 Ni(微米磁點(diǎn))/PMN-PT(壓電單晶襯底)多鐵異質(zhì)結(jié)中電場(chǎng)調(diào)控磁疇變化[46](a)樣品結(jié)構(gòu)示意圖;(b)方形Ni微米磁點(diǎn)的掃描電子顯微鏡像;(c)施加不同電場(chǎng)后方形磁點(diǎn)的磁疇結(jié)構(gòu)變化X射線磁圓二次色譜光電子顯微鏡(XMCD-PEEM)像(上排)和相應(yīng)的微磁模擬襯度像(下排),其中上排圖形中的箭頭表示應(yīng)力方向,下排箭頭表示磁疇方向Fig.2.Electric f i eld control of magnetic domains in a multiferroic heterostructure consisting of pattered micrometred Ni magnet on PMN-PT single crystal[46]:(a)Schematic diagram of the multiferroic heterostructure;(b)scanning electron microscopy image of a 2μm-wide Ni square magnet;(c)evolution of the magnetic domains imaged by XMCD-PEEM under various electric f i elds for the Ni magnet(upper panels),and the corresponding micromagnetic simulation images(bottom panels),in which the arrows indicate the directions of strain(upper panels)and orientations of local magnetic moments(lower panels).

圖3 Ni橢圓納米島/PMN-PT(110)多鐵異質(zhì)結(jié)中電場(chǎng)操縱磁單疇翻轉(zhuǎn)[47](a)實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)示意圖;(b)樣品中橢圓Ni納米島陣列的形狀和取向示意圖;(c)施加不同電場(chǎng)下Ni納米島陣列磁疇變化的XMCD-PEEM像,其中圓形、方形和三角形標(biāo)記的納米點(diǎn)顯示出三種不同的磁翻轉(zhuǎn)行為Fig.3.Electric-f i eld control of magnetic switching of single domain nanomagnets in Ni/PMN-PT(110)multiferroic heterostructures[47]:(a)Schematic of the structure of the heterostructure;(b)schematic of a Ni array of 150 nm×100 nm nano-islands for the test region,in which long axis of the ellipses are alighted along 90?, ?45?,45?,and 0? directions;(c)the evolution of the XMCD-PEEM images of the magnetic domains for the Ni nano-ellipes under three dif f erent applied electric f i elds,in which the Ni nano-ellipses marked by circles,squares,and triangles respectively represent dif f erent types of magnetic switching behaviours.

由于器件小型化的需求,研究更小尺度異質(zhì)結(jié)的電控磁行為顯得更為重要.Buzzi等[47]利用電子束光刻技術(shù),在(011)取向的PMN-PT上,制作了150 nm×100 nm橢圓形的Ni納米陣列結(jié)構(gòu),如圖3(a)和圖3(b)所示.由于尺寸的減少導(dǎo)致疇壁能增加可使納米磁點(diǎn)呈單疇?wèi)B(tài).當(dāng)增大外電壓使得各向異性易磁軸轉(zhuǎn)向90?方向,觀察到部分橢圓Ni納米島(見(jiàn)綠色三角形標(biāo)定)的磁疇也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)到90?磁化方向;而當(dāng)繼續(xù)加大電壓導(dǎo)致易磁軸轉(zhuǎn)回原方向時(shí),一部分磁點(diǎn)也隨著轉(zhuǎn)到了180?方向,但也有部分轉(zhuǎn)回初始態(tài),或停留在90?方向,如圖3(c)所示.這表明壓電效應(yīng)可以導(dǎo)致納米尺度90?切換,并具有一定的非易失性,具備器件應(yīng)用的潛力.但不同的納米點(diǎn)磁翻轉(zhuǎn)行為并不一致,不利于器件應(yīng)用.趙永剛研究組[48]仔細(xì)研究了類似PMN-PT/微米磁盤(pán)結(jié)構(gòu)中的電驅(qū)動(dòng)磁疇翻轉(zhuǎn)的不均勻性,將其歸結(jié)于PMN-PT襯底上不同區(qū)域存在不同鐵電疇翻轉(zhuǎn)模式所致.為解決這一挑戰(zhàn),還需探求新的方法,如實(shí)現(xiàn)鐵電襯底上均勻且確定性的疇翻轉(zhuǎn),或利用非鐵電的壓電材料等.

2.2 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)180?磁化反轉(zhuǎn)

雖然電壓可誘導(dǎo)產(chǎn)生90?的磁疇旋轉(zhuǎn),但在磁存儲(chǔ)器件中(如磁隨機(jī)存儲(chǔ)器件),較為理想的是180?確定性的磁化反轉(zhuǎn).然而僅僅依靠常規(guī)應(yīng)變調(diào)控,難以獲得可控超過(guò)90?的往復(fù)翻轉(zhuǎn).2014年,李曉光研究組[49]在PMN-PT/Co多層膜異質(zhì)結(jié)中,通過(guò)襯底側(cè)面施加電壓產(chǎn)生的應(yīng)變來(lái)誘導(dǎo)磁各向異性軸90?轉(zhuǎn)動(dòng),在加電場(chǎng)同時(shí)輔助以微弱的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng) (～5 Oe,1 Oe=103/(4π)A/m),實(shí)現(xiàn)了可控的180?往復(fù)磁化反轉(zhuǎn),邁出了重要一步.然而,施加微弱磁場(chǎng)也增加了器件的復(fù)雜性,純電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)180?磁疇反轉(zhuǎn)依舊是電控磁研究追求的核心目標(biāo).基于微納磁體的形狀各向異性,人們提出了幾種純電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)180?磁反轉(zhuǎn)的調(diào)控方案.

1)動(dòng)力學(xué)調(diào)控方案.我們知道,由于施加純應(yīng)變難以打破時(shí)間反演對(duì)稱,無(wú)法驅(qū)動(dòng)180?磁反轉(zhuǎn),然而通過(guò)高速應(yīng)變脈沖可產(chǎn)生非平衡過(guò)程,則有可能打破時(shí)間反演對(duì)稱[50?52].如通過(guò)施加高速應(yīng)力脈沖使易磁軸轉(zhuǎn)向垂直方向,這導(dǎo)致磁化轉(zhuǎn)向并開(kāi)始圍繞新平衡點(diǎn)做阻尼進(jìn)動(dòng),當(dāng)磁矩方向反向偏離平衡點(diǎn)時(shí)撤銷脈沖,磁矩就會(huì)順著慣性轉(zhuǎn)到180?方向.南策文課題組[53]利用微磁學(xué)模擬,驗(yàn)證了Ni(納米結(jié)構(gòu))/PZT異質(zhì)結(jié)中這種動(dòng)力學(xué)反轉(zhuǎn)的可行性(如圖4),發(fā)現(xiàn)通過(guò)精確控制電壓、脈沖等參數(shù),可實(shí)現(xiàn)純電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁化180?反轉(zhuǎn)多次.該課題組也設(shè)計(jì)了在PZT上生長(zhǎng)制備CoFeB橢圓磁點(diǎn),利用微磁學(xué)模擬展示了水平施加電場(chǎng)導(dǎo)致面內(nèi)磁矩[54]以及面外磁矩180?反轉(zhuǎn)[55].類似結(jié)果在Co/PMN-PT[56]也有報(bào)道,但也發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)中容易陷入磁渦旋態(tài)而導(dǎo)致反轉(zhuǎn)失敗,需要精準(zhǔn)設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)才可繞過(guò)渦旋態(tài)順利實(shí)現(xiàn)180?反轉(zhuǎn).最近,Preobrazhensky等[57]也模擬了利用這種方法構(gòu)建器件并計(jì)算了器件性能,指出這種器件具有超低耗能特性,當(dāng)磁點(diǎn)尺度為50 nm,讀寫(xiě)能耗可小至5 aJ/bit.然而,這種磁翻轉(zhuǎn)必須在一個(gè)嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn),即需要精確地設(shè)計(jì)和控制各種參數(shù)(如電脈沖時(shí)間需要控制在1 ns精度),因此實(shí)驗(yàn)操作上還存在巨大挑戰(zhàn).

圖4 通過(guò)動(dòng)力學(xué)阻尼進(jìn)動(dòng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)純電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)180?磁化反轉(zhuǎn)的相場(chǎng)模擬[53] (a)具面外磁化的Ni(納米磁點(diǎn))/PZT異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁反轉(zhuǎn)示意圖;(b)磁化反轉(zhuǎn)軌跡;(c)多個(gè)周期的磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程中不同方向的磁矩分量隨時(shí)間的變化;(d)磁化反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)條件窗口-應(yīng)力和脈沖寬度關(guān)系的相圖Fig.4.Purely electric-f i eld-driven full 180?magnetization reversal via successive precession in multiferroic heterostructure by phase-f i eld simulation[53]:(a)Schematic of the Ni(nanomagnt)/PZT heterostructure;(b)magnetic precession reversal path of the Ni nanomagnet;(c)evolution of the three components of the magnetization as a sequence of time during the repeatable 180?magnetization reversal driven by square-waves electric f i eld;(d)the phase diagram of the switching windows as function of strain and pulse-width.

2)形狀輔助多步磁翻轉(zhuǎn).為克服動(dòng)態(tài)調(diào)控對(duì)脈沖時(shí)間等參數(shù)苛刻的精度要求,人們還發(fā)展了幾何形狀調(diào)控和多步翻轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法,即設(shè)計(jì)特殊幾何形狀的磁結(jié)構(gòu)(產(chǎn)生多軸磁各向異性),然后施加準(zhǔn)靜態(tài)的電脈沖,通過(guò)兩步(或多步)翻轉(zhuǎn)辦法實(shí)現(xiàn)180?翻轉(zhuǎn).2014年,南策文和陳龍慶等[58]合作在PMN-PT襯底上設(shè)計(jì)出花瓣?duì)罹哂兴闹貙?duì)稱的納米磁結(jié)構(gòu),并通過(guò)相場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)了通過(guò)2步翻轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)180?反轉(zhuǎn)(如圖5所示).首先施加正電壓,由于襯底應(yīng)變作用導(dǎo)致易磁化軸轉(zhuǎn)向略小于90?,使得磁化方向也隨著易磁化軸旋轉(zhuǎn)90?,而撤掉電壓后磁化方向則松弛到90?方向的形狀各向異性易磁軸;然后再施加負(fù)電壓脈沖,磁疇依類似過(guò)程旋轉(zhuǎn)90?達(dá)到180?方向.這里,每次易磁軸轉(zhuǎn)向都小于90?,可使磁化方向隨著易磁軸一起轉(zhuǎn)向夾角小于90?的易磁軸方向,確保每次轉(zhuǎn)向都是沿確定方向.

圖5 人工形狀輔助電驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)方法的相場(chǎng)模擬[58] (a)在(011)方向的PMN-PT單晶上生長(zhǎng)四重對(duì)稱的“花瓣?duì)睢盢i納米磁體的磁電異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)Ni納米磁體各向異性極坐標(biāo)圖;(c),(d)兩步翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)180?磁反轉(zhuǎn)機(jī)理,(c)Ni納米磁體在不同電壓下的總各向異性變化極坐標(biāo)圖和(d)相應(yīng)的磁疇結(jié)構(gòu)演變圖,其中箭頭表示凈磁矩方向Fig.5.Phase-f i eld simulation approach of electric-f i eld driven magnetization reversal assisted by “f l ower”-shaped patterned magnet[58].(a)Schematic of the heterostructure of a f l ower-shaped patterned nanomagnet with four-fold shape symmetry grown on a ferroelectric layer(011)-PMN-PT.(b)Shape anisotropy of a nanomagnet.(c),(d)Evolution of total anisotropy and magnetic states at four dif f erent electric f i elds,illustrating the reversal mechanism:total anisotropy(c)and corresponding magnetic states(d),in which the arrows present the orientation of net magnetization.

為實(shí)現(xiàn)脈沖180?翻轉(zhuǎn),還設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的花生狀納米結(jié)構(gòu)[59],如圖6所示.這種結(jié)構(gòu)的形狀各向異性,具有主軸和次軸,其磁矩主方向沿著主軸方向而兩端界面處磁矩則向次軸向彎曲.當(dāng)施加電壓引起易磁軸轉(zhuǎn)向時(shí),磁矩轉(zhuǎn)90?兩端磁矩依舊向次軸向彎曲(保持順時(shí)針).當(dāng)撤銷電場(chǎng),易磁軸轉(zhuǎn)回到主軸方向,由于受兩端磁矩彎曲影響磁化方向繼續(xù)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)90?,最終達(dá)到180?反轉(zhuǎn).這種“次軸設(shè)計(jì)”起非常重要的作用,確保施加電場(chǎng)前后磁矩總沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)而并不會(huì)回轉(zhuǎn),類似風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)確定性的180?轉(zhuǎn)動(dòng).利用這種方法,還可通過(guò)設(shè)計(jì)四重對(duì)稱軸磁體,使得磁疇在四個(gè)方向切換,從而產(chǎn)生“四態(tài)存儲(chǔ)”概念[60].這種方法是一種準(zhǔn)靜態(tài)方法,對(duì)脈沖時(shí)間控制精度要求并不高,然而增加了器件微加工精度要求和操作復(fù)雜性.

3)多軸電場(chǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn).此外,還發(fā)展了通過(guò)施加多個(gè)方向的電場(chǎng)產(chǎn)生多軸應(yīng)變來(lái)驅(qū)動(dòng)磁翻轉(zhuǎn)的方法,即通過(guò)施加不同方向的電場(chǎng),產(chǎn)生不同方向的各向異性,驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生180?磁翻轉(zhuǎn).2013年,Cui等[61]在Ni/PZT 異質(zhì)結(jié)中Ni磁點(diǎn)周?chē)腜ZT上生長(zhǎng)了兩對(duì)垂直納米電極,通過(guò)不同電極分別施加不同方向的水平電場(chǎng),可在Ni磁島上產(chǎn)生不同方向的各向異性導(dǎo)致不同向的磁轉(zhuǎn)動(dòng).

2017年,Biswas等[62]用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法.如圖7所示,在PMN-PT上面制備兩對(duì)交叉電極,而電極中間是Co橢圓納米磁點(diǎn).當(dāng)通過(guò)一對(duì)電極或)施加水平電場(chǎng),電極正下方的壓電材料沿著電場(chǎng)方向拉伸,產(chǎn)生與電極方向垂直的易磁軸,導(dǎo)致磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度.在該脈沖還沒(méi)結(jié)束時(shí),通過(guò)在另一對(duì)電極上施加不同方向的脈沖,使得磁疇繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度.當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí),磁疇可松弛到180?方向.值得一提的是,由于兩電極的軸線與納米點(diǎn)長(zhǎng)軸有一個(gè)30?的夾角,使得易磁軸每次轉(zhuǎn)動(dòng)都小于90?,保證磁化轉(zhuǎn)動(dòng)都沿著同一個(gè)方向進(jìn)行.這種方法是一種準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,對(duì)脈沖時(shí)間和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的控制精度要求沒(méi)有動(dòng)力學(xué)調(diào)控法那么苛刻,在實(shí)驗(yàn)上易于實(shí)現(xiàn).遺憾的是由于界面釘扎作用以及電疇不均勻性,只有部分磁點(diǎn)可以180?翻轉(zhuǎn),還需努力提高磁反轉(zhuǎn)的一致性.

圖6 利用“花生”狀納米磁體輔助電驅(qū)動(dòng)180?磁轉(zhuǎn)[59] (a)納米磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中不對(duì)稱凹口的橢圓形狀導(dǎo)致產(chǎn)生各向異性的主軸和次軸;(b)異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖,主要為PMN-PT襯底生長(zhǎng)“花生”狀納米磁體;(c)在單脈沖電場(chǎng)下驅(qū)動(dòng)180?往復(fù)翻轉(zhuǎn)中微磁疇演化圖,通過(guò)施加單個(gè)電場(chǎng)脈沖可導(dǎo)致順時(shí)針90?翻轉(zhuǎn),而電脈沖撤銷后可繼續(xù)轉(zhuǎn)90?松弛到180?,而再施加相同脈沖后則再轉(zhuǎn)180?度回到初始狀態(tài),其中特殊設(shè)計(jì)的次軸可確保只發(fā)生順時(shí)針單向轉(zhuǎn)動(dòng)Fig.6.A theoretical approach of electric driven magnetization reversal assisted by “peanut” shaped nanomagnet[59]:(a)Schematic diagram for the design of the “peanut” shaped nanomagnet,in which a ellipse shape with two notches give rise to both a major and a minor easy axis of shape anisotropy;(b)schematic of the device structure,consisting of the “peanut” shaped nanomagnet on a PMN-PT substrate;(c)the evolution of micromagnetic states of the nanomagnet demonstrates a back and forth cycle of 180?reversal triggered by using a single electric pulse;here,a single electric can rotate the magnetization for 90? f i rst and then relax to 180? direction after removing the f i eld,and second electric can switch the magnetic state back,in which special designed minor axis can help ensure that the magnetic state rotation is only along clockwise direction.

圖7 雙電場(chǎng)方法誘導(dǎo)180?磁化反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)[62] (a)PMN-PT襯底生長(zhǎng)橢圓磁性Co點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖,其中襯底制備兩組電極AA′和BB′用于施加水平方向電場(chǎng),電場(chǎng)方向與橢圓磁點(diǎn)主軸成+30?和?30?夾角;(b)施加電場(chǎng)過(guò)程中系統(tǒng)的能量(左)和磁疇(右)演化示意圖;(c)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)使用的兩個(gè)連續(xù)電脈沖示意圖;(d)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)后磁疇的磁力顯微鏡像(MFM),從左到右分別為磁性Co點(diǎn)的原子力形貌像以及初始狀態(tài)、第一次雙電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)反轉(zhuǎn)和第二次反轉(zhuǎn)后的MFM像,圖中箭頭標(biāo)出磁矩方向Fig.7.Experimental approach of strain-induced complete 180?magnetization reversal by using two in-plane electric field pulses[62]:(a)The schematic diagram of the multiferroic heterostructure consisting of elliptical Co nanomagnets on PMN-PT single crystal substrate,in which 2 pairs of electrodes were also fabricated on the PMN-PT that allow applying in-plane electric field alonganddirections,with angles of+30?and?30?respectively to the major axis of the elliptical nanomagnet;(b)the schematic diagram for the evolution of potential energy(left)and domain states(right),where the electric field generate an anisotropy with easy axis perpendicular to the electric fields;(c)the timing diagram of the voltage pulses at the two electrode pairs;(d)atomic force microscopy(AFM)image at initial state,MFM images at initial state,after the fi rst reversal,and second reversal;the arrows in the MFM images mark the net magnetization orientations of the nanomagnets;MFM images show the domain changes before and after electric driven magnetization reversal for four nanomagnets.

3 界面交換耦合驅(qū)動(dòng)

界面自旋交換耦合也是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的電控磁機(jī)理,主要通過(guò)鐵電反鐵磁/鐵磁層異質(zhì)結(jié)中界面自旋的交換耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)電控磁性.近年來(lái),在基于鐵酸鉍(BiFeO3,BFO)/鐵磁微米結(jié)構(gòu)組成的多鐵異質(zhì)結(jié)中,通過(guò)交換耦合驅(qū)動(dòng)磁翻轉(zhuǎn)研究取得了一系列重要進(jìn)展.BFO是一種罕見(jiàn)的單相室溫多鐵材料,具有優(yōu)越的鐵電性(居里點(diǎn)820?C)及反鐵磁性(奈爾溫度為370?C),引起了廣泛研究.實(shí)驗(yàn)表明BFO的反鐵磁疇與鐵電疇緊密耦合,因此可通過(guò)電場(chǎng)改變極化來(lái)調(diào)控反鐵磁疇,進(jìn)而操控BFO上生長(zhǎng)的鐵磁層的疇結(jié)構(gòu).如Zhao等[63]用XMCD-PEEM觀測(cè)到鐵電疇和反鐵磁疇緊密耦合的證據(jù),并可以通過(guò)電驅(qū)動(dòng)極化109?反轉(zhuǎn)導(dǎo)致反鐵磁疇變化.Martin等[64,65]則研究了BFO/鐵磁薄膜之間的交換偏置,發(fā)現(xiàn)BFO的109?疇可以產(chǎn)生明顯交換偏置作用,而71?條帶疇卻只能產(chǎn)生矯頑場(chǎng)增強(qiáng)而無(wú)交換偏置.Wu等[66]研究了BFO/(La,Sr)MnO3(LSMO)之間的交換偏置的電場(chǎng)調(diào)控作用,發(fā)現(xiàn)在低溫下,其交換偏置場(chǎng)可在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下多次反復(fù)反轉(zhuǎn),這主要?dú)w因于界面雜化使得交換偏置增強(qiáng)的緣故.然而,目前利用BFO的交換偏置來(lái)調(diào)控磁翻轉(zhuǎn)努力并不成功,主要由于109?疇在電場(chǎng)下不穩(wěn)定而容易變化成沒(méi)有交換偏置的71?疇,而全氧化物異質(zhì)結(jié)(如BFO/LSMO)雖能獲得更強(qiáng)更可控的交換偏置場(chǎng),但工作溫度遠(yuǎn)低于室溫.

另一方面,通過(guò)不具有交換偏置的交換耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)則取得多項(xiàng)突破.由于BFO自旋的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用,自旋序形成一種特殊的傾角反鐵磁(canting antiferromagnetic)結(jié)構(gòu),其反鐵磁序的兩個(gè)相反方向的自旋帶有一定小傾角,使磁矩不能完全抵消形成微小傾角磁矩[67].通常在BFO塊體中,自旋序呈螺旋狀,導(dǎo)致傾角小磁矩也相互抵消,凈磁矩幾乎為零.但在薄膜中,螺旋序受到不同程度的抑制,可產(chǎn)生微小的凈傾角磁矩(Mc).如在BFO薄膜上生長(zhǎng)軟磁膜形成多鐵異質(zhì)結(jié),界面層附近Mc與軟磁膜具有一定的交換耦合作用[68],相當(dāng)于在軟磁膜中產(chǎn)生了方向與Mc一致的交換耦合場(chǎng),也因此可通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)控這一界面耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)軟磁層磁化反轉(zhuǎn).下文主要介紹BFO-基多鐵異質(zhì)結(jié)中電控磁反轉(zhuǎn)研究進(jìn)展.

3.1 水平電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁翻轉(zhuǎn)

早在2008年,朱英豪和Ramesh研究組[69]便嘗試?yán)肂FO對(duì)鐵磁微米點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了90?磁化翻轉(zhuǎn)并初步揭示了界面耦合機(jī)理.主要在具條帶疇的BFO薄膜上生長(zhǎng)軟磁Co0.9Fe0.1(CoFe)微米點(diǎn),通過(guò)水平方向施加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)誘導(dǎo)磁點(diǎn)的凈磁矩90?往復(fù)翻轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖8),這也引發(fā)了人們對(duì)BFO基異質(zhì)結(jié)電控磁的關(guān)注.2011年,Ramesh研究組[70]進(jìn)一步在具71?條帶疇的 BFO薄膜上生長(zhǎng)的CoFe微米磁結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到電控凈磁矩180?反轉(zhuǎn)切換.研究表明,該BFO基底是由兩組相互間71?夾角條帶疇交疊而成,其水平分量夾角90?.在外加水平電場(chǎng)后,雖然每組電疇水平分量只旋轉(zhuǎn)90?(71?鐵彈翻轉(zhuǎn)),但是總的水平凈極化產(chǎn)生了180?反轉(zhuǎn)(圖9).由于BFO凈磁矩Mc垂直于電極化,其水平的凈磁矩也一樣產(chǎn)生180?反轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致上方軟磁膜也產(chǎn)生180?凈磁化反轉(zhuǎn).這種翻轉(zhuǎn)模式與文獻(xiàn)[69]報(bào)道的90?磁化翻轉(zhuǎn)的機(jī)理有點(diǎn)類似,都是通過(guò)交換耦合實(shí)現(xiàn)電控磁,但兩者導(dǎo)致的效果卻明顯不同,其中主要原因是兩者極化反轉(zhuǎn)方式的不同.在文獻(xiàn)[69]的工作中,BFO是生長(zhǎng)在(001)取向的SrTiO3(STO)襯底上,而施加電場(chǎng)后反轉(zhuǎn)區(qū)域的條帶疇總體取向產(chǎn)生了改變,導(dǎo)致疊加后凈極化水平分量只轉(zhuǎn)動(dòng)90?.而文獻(xiàn)[70]則采用(110)取向的DyScO3(DSO)襯底,由于襯底面內(nèi)a,b兩軸與BFO薄膜晶面失配度不同產(chǎn)生的挾持應(yīng)力抑制了條帶疇總體取向的改變,但條帶疇內(nèi)部面內(nèi)分量卻產(chǎn)生了90?轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致疊加后凈極化水平分量產(chǎn)生了180?轉(zhuǎn)動(dòng).這兩種不同的極化反轉(zhuǎn)模式也導(dǎo)致了以上兩種不同的電控磁翻轉(zhuǎn)行為.

圖8 (001)取向STO襯底上的BFO/CoFe微米磁點(diǎn)多鐵異質(zhì)結(jié)中施加水平電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁疇往復(fù)90?翻轉(zhuǎn)[69] (a)—(c)施加電場(chǎng)前后BFO鐵電疇(左)和相對(duì)應(yīng)的CoFe磁點(diǎn)的磁疇XMCD-PEEM像(右)的變化圖(初始狀態(tài)(a),施加水平電場(chǎng)后凈磁矩旋轉(zhuǎn)90?(b),施加反向電場(chǎng)后磁矩轉(zhuǎn)回初始方向(c))Fig.8.Electric-f i eld driven 90?magnetization rotation in multiferroic heterostructure consisting of CoFe micromagnets on BFO f i lm on STO substrate[69]:(a)–(c)Reversible switching of both ferroelectric polarization in BFO f i lm and magnetic states of the micromagnet induced by applying in-plane electric f i elds,as indicated by the lateral piezoresponse force microscopy and XMCD-PEEM images,for the initial state(a),after applied an electric f i eld that rotates the net magnetization of the micromagnet for 90?(b),and after applied a reversed electric f i eld to switch the magnetization back(c).

圖9 (110)取向DSO襯底上生長(zhǎng)BFO/CoFe微米結(jié)構(gòu)形成多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)誘導(dǎo)180?凈磁化反轉(zhuǎn)[70](a)BFO鐵電疇的水平方向壓電響應(yīng)力顯微鏡(PFM)像,及在之上生長(zhǎng)CoFe層的磁疇XCDM-PEEM像;(b)施加不同電場(chǎng)后異質(zhì)結(jié)中CoFe微米磁體的各向異性電阻-角度關(guān)系曲線,表明電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)往復(fù)180?磁化反轉(zhuǎn);(c)電場(chǎng)通過(guò)界面耦合驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)機(jī)理示意圖,其中上方為施加電場(chǎng)前后凈極化和凈磁化反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖,下方為BFO晶胞結(jié)構(gòu)中反鐵磁矩和凈磁矩在極化反轉(zhuǎn)后變化示意圖,其中P代表極化,L表示反鐵磁軸,Mc為微小傾角磁矩Fig.9.Electric-f i eld-induced net-magnetization 180? reversal in BFO/CoFe heterostructure on ?110?DSO substrate[70]:(a)Lateral PFM image of BFO(left)and corresponding XMCD-PEEM images of the magnetic layer on top of BFO(right),in which a well-recognized one-one correlation between the ferroelectric/magnetic domain can be identif i ed;(b)electric driven 180?magnetization reversal ref l ected by angular dependent anisotropic resistance;(c)schematic diagrams revealing the mechanism of exchange coupling mediated magnetization reversal,including correlation between net polarization and net magnetization(upper),and the relations between net Mc,antiferromagnetic vector L,and polarization P in BFO atomic unit cell(lower),before and after applying an electric f i eld.

圖10 在BFO/CoFe基異質(zhì)結(jié)中利用垂直加電場(chǎng)法實(shí)現(xiàn)了180?磁化反轉(zhuǎn)[71] (a)樣品的結(jié)構(gòu)示意圖,其中BFO上的Co0.9Fe0.1層為單層或自旋閥結(jié)構(gòu),可通過(guò)磁電流來(lái)讀出磁化方向;(b)施加6 V電壓導(dǎo)致凈磁矩反轉(zhuǎn)的XMCD-PEEM成像,其中黑白襯度代表y軸方向的磁矩分量;(c)磁反轉(zhuǎn)過(guò)程中BFO原子晶胞自旋結(jié)構(gòu)變化示意圖,分別經(jīng)歷了71?和109?極化翻轉(zhuǎn),其中P代表極化,L表示反鐵磁軸,Mc為凈磁矩Fig.10.Deterministic 180?switching of magnetization triggered by an out-of-plane electric f i eld in BFO/CoFe heterostructure[71]:(a)Schematic diagrams of the heterostructure in this work,in which the micromangt is either single layered Co0.9Fe0.1or spin valve multilayer structure used for magnetoresistance measurement;(b)XMCDPEEM image of magnetic domain before and after applying an electric f i eld,in which the dark-bright contrast indicates the orientation of y-component of the local magnetic moment;(c)schematics of atomic unit cells structure illustrating the mechanism of multi-step switching of polarization and Mc.

3.2 垂直電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁翻轉(zhuǎn)

上述180?反轉(zhuǎn)操作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)上有較大的可行性,然而需要在磁點(diǎn)旁制備電極來(lái)施加水平電場(chǎng),同時(shí)也需要施加較高的驅(qū)動(dòng)電壓,不利于高密度器件應(yīng)用.為克服這一困難,2014年Ramesh研究組[71]在BFO/CoFe異質(zhì)結(jié)中進(jìn)行了面外加電場(chǎng)實(shí)驗(yàn),在微米級(jí)磁結(jié)構(gòu)中也獲得了電驅(qū)動(dòng)凈磁矩180?往復(fù)磁反轉(zhuǎn),并用XCDM-PEEM成像和各向異性磁電阻對(duì)磁反轉(zhuǎn)進(jìn)行了細(xì)致觀察(見(jiàn)圖10).研究發(fā)現(xiàn),在施加電壓驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)過(guò)程中,BFO的電疇發(fā)生了180?非鐵彈反轉(zhuǎn),卻也出乎意料地導(dǎo)致了磁反轉(zhuǎn).研究表明,在BFO中鐵電極化與傾斜磁矩Mc相互垂直,單純180?極化反轉(zhuǎn)并不能轉(zhuǎn)動(dòng)Mc,而只有鐵彈性極化翻轉(zhuǎn)(如71?和109?)才可改變Mc方向.經(jīng)過(guò)深入研究,發(fā)現(xiàn)實(shí)際上這種180?極化反轉(zhuǎn)是分步進(jìn)行的,經(jīng)歷了多步71?或109?翻動(dòng).由于每步鐵電性翻轉(zhuǎn)都可保持Mc和鐵磁的凈磁矩很好地耦合并可連續(xù)過(guò)渡(圖10(b)),最終也導(dǎo)致產(chǎn)生電控180?磁翻轉(zhuǎn),并可多次往復(fù)切換.這種通過(guò)面外施加電場(chǎng)的架構(gòu)可大幅降低反轉(zhuǎn)電壓(10 V以內(nèi)),并可很好地與高密度器件工藝相兼容,推動(dòng)了電控磁器件的應(yīng)用.然而,目前得到的可控翻轉(zhuǎn)次數(shù)只有3個(gè)循環(huán),可能是因?yàn)檐洿臗oFe在高電場(chǎng)下容易氧化的緣故,并不足達(dá)到器件要求.

圖11 利用FMR探測(cè)CoFe/BFO異質(zhì)結(jié)中電控磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程中交換耦合場(chǎng)的變化[72] (a)CoFe(2.5 nm)/BFO(200 nm)多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖,其中箭頭表示FMR測(cè)試中加磁場(chǎng)的角度方向;(b)異質(zhì)結(jié)中樣品的鐵電疇和鐵磁疇結(jié)構(gòu),其中鐵電疇通過(guò)掃描電子顯微鏡的背散射技術(shù)探測(cè),而CoFe磁微米盤(pán)的磁疇分布則通過(guò)掃描電子顯微鏡的極化分析探測(cè)(SEMPA),結(jié)果發(fā)現(xiàn)水平方向微觀磁矩與電疇有很好耦合關(guān)系(平行或反平行);(c)施加不同電壓后FMR的相對(duì)共振磁場(chǎng)隨電壓變化回線,可穩(wěn)定反轉(zhuǎn)100個(gè)周期;(d)導(dǎo)出的BFO凈磁矩方向隨電壓變化回線與極化反轉(zhuǎn)回線較為符合.經(jīng)分析,有效耦合場(chǎng)大小為57 Oe,而極化反轉(zhuǎn)后BFO凈磁矩方向變化近178?Fig.11.Probing of exchange coupling that mediates the electric driven magnetic reversal in CoFe/BFO heterostructure by using ferromagnetic resonance(FMR)technique[72]:(a)Schematic of CoFe(2.5 nm)/BFO(200 nm)multiferroic heterostructure for the FMR measurements;(b)ferroelectric domain structure of BFO and ferromagnetic domain structure of CoFe detected by scanning electron microscopy based back scattering electrons and polarization analysis(SEMPA)technique,respectively,in which the enlarged SEMPA image indicates that the lateral component of local magnetic moments show either parallel or antiparallel to that of the polarization orientation;(c),(d)hysteresis loops of relative resonance magnetic f i eld(c)and orientation angle of net canted magnetic moment of BFO(d)as a function of driven electric f i eld;it was found that the ef f ective exchange-coupling f i eld can be quantif i ed as 57 Oe,and net canted moment of BFO can be rotated for around 178?upon polarization switching.

為了進(jìn)一步研究BFO的Mc與鐵磁疇耦合機(jī)理,Zhou等[72]細(xì)致研究了CoFe微米盤(pán)/BFO異質(zhì)結(jié)中的疇結(jié)構(gòu)和鐵磁共振(FMR)特征.通過(guò)細(xì)致分析角度分辨FMR共振磁場(chǎng)變化(見(jiàn)圖11),發(fā)現(xiàn)在施加電壓進(jìn)行極化反轉(zhuǎn)后交換耦合場(chǎng)角度可偏轉(zhuǎn)接近180?,并且偏轉(zhuǎn)角度-電壓回線關(guān)系與極化電滯回線行為相吻合.這種界面交換耦合場(chǎng)的面內(nèi)分量在2.5 nm的CoFe層中大約57 Oe,并可在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下往復(fù)反轉(zhuǎn)100多次,顯示出穩(wěn)定、可重復(fù)的、非易失性的特征,在高密度磁電存儲(chǔ)和可調(diào)微波器件中有很好的應(yīng)用前景.

有關(guān)BFO基異質(zhì)結(jié)中電控磁性,南策文研究組[73]也建立了理論模型,并使用相場(chǎng)模擬計(jì)算了鐵電極化反轉(zhuǎn)和磁疇變化關(guān)系,揭示了界面交換耦合場(chǎng)和BFO條帶疇的剪切應(yīng)變共同影響了電控磁反轉(zhuǎn)行為.Wang等[74]還計(jì)算了在(110)取向的BFO上生長(zhǎng)的鐵磁納米點(diǎn)電驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)特征,發(fā)現(xiàn)鐵電疇180?反轉(zhuǎn)也是分步進(jìn)行,也可誘導(dǎo)產(chǎn)生180?磁反轉(zhuǎn),而磁翻轉(zhuǎn)速度主要決定于鐵電極化翻轉(zhuǎn)速度.如果把BFO薄膜刻蝕成納米島則可釋放襯底和周邊薄膜挾持效應(yīng),導(dǎo)致電壓驅(qū)動(dòng)下鐵電疇只翻轉(zhuǎn)109?,但也可導(dǎo)致水平方向180?磁翻轉(zhuǎn).這些成果揭示了基于BFO異質(zhì)結(jié)的磁翻轉(zhuǎn)的界面交換耦合動(dòng)力學(xué)過(guò)程,為進(jìn)一步剪裁微尺度下的電控磁反轉(zhuǎn)奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

圖12 基于單疇BFO多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電驅(qū)動(dòng)自旋結(jié)構(gòu)改變誘導(dǎo)90?磁翻轉(zhuǎn)[75](a)BFO/Co異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖,其中所用的STO襯底經(jīng)過(guò)沿(110)方向斜切;(b)不同極化方向的磁滯回線,表明極化反轉(zhuǎn)導(dǎo)致各向異性發(fā)生90?轉(zhuǎn)動(dòng);(c)極化反轉(zhuǎn)導(dǎo)致Co層中磁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的XMCD-PEEM成像;(d)極化反轉(zhuǎn)前后各向異性改變的機(jī)理和對(duì)應(yīng)的原子單胞自旋結(jié)構(gòu)示意圖,初始極化朝下時(shí)自旋結(jié)構(gòu)為螺旋序(各向異性主要由斜切角帶來(lái)的),而極化朝上時(shí)界面自旋疇變?yōu)楣簿€反鐵磁序從而導(dǎo)致產(chǎn)生垂直方向的各向異性.Fig.12.Magnetization reversal driven by the changing of spin structure of BFO during polarization switching in BFO/Co heterostructures[75]:(a)Schematic diagram of the heterostructured device based on monodomain BFO and Co f i lms,in which the STO substrate of heterostructure was miscuted along(110)direction before deposition of BFO f i lm;(b)M-H hysteresis loops of Co layer before and after polarization switching,indicating the apparent switching of anisotropy easy axis;(c)the local magnetic domain structure measured by XMCD-PEEM,indicating an 90?rotation of magnetic orientation after polarization switching;(d)schematic diagrams for the switching mechanism;the spin states of BFO shows spiral structure at downward polarization and a collinear spin structure at upward polarization;at downward polarization state the interface anisotropy is dominated by miscut strain producing an easy axis along miscut direction,while the occurrence of collinear antiferromagnetic spin structure at upward polarization state produce an easy axis along perpendicular direction,perpendicular to the initial state.

以上討論薄膜的交換作用時(shí),還沒(méi)有考慮到自旋序結(jié)構(gòu)的改變.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)螺旋序存在于單晶和薄膜中,在施加電場(chǎng)后有可能產(chǎn)生自旋結(jié)構(gòu)的改變,并對(duì)界面耦合產(chǎn)生影響.如Saenrang等[75]在2017年發(fā)現(xiàn),在一種(110)方向斜切的單電疇BFO薄膜中可出現(xiàn)螺旋序結(jié)構(gòu),而施加電場(chǎng)誘導(dǎo)極化反轉(zhuǎn)后則在表面層出現(xiàn)了一種共線反鐵磁序,并導(dǎo)致各向異性易磁軸90?翻轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖12).這可能歸因于在施加電場(chǎng)前各向異性主要由襯底斜切帶來(lái)應(yīng)變,而施加電場(chǎng)后新產(chǎn)生的共線反鐵磁序改變了各向異性軸,從而導(dǎo)致鐵磁層產(chǎn)生90?翻轉(zhuǎn),并表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性和耐受性.這些新的交換耦合機(jī)理的發(fā)現(xiàn),為電控磁提供了新思路.

4 走向納米尺度的挑戰(zhàn)

由于高密度器件需求存儲(chǔ)單元縮小到納米尺度[26],如磁隨機(jī)存儲(chǔ)器件中納米點(diǎn)已小至(60—70)nm×180 nm,因此發(fā)展100 nm尺度、可穩(wěn)定重復(fù)的電控磁反轉(zhuǎn)是開(kāi)發(fā)磁電器件面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn).雖然目前電控磁研究已有大量的成果,但主要集中在薄膜和微米尺度,走向納米尺度還面臨不少困難.我們知道,當(dāng)尺度從薄膜縮小到微米,電控磁行為會(huì)出現(xiàn)諸多新特點(diǎn),這時(shí)原來(lái)大尺度下獲得的規(guī)律就不一定適用,如形狀各向異性可導(dǎo)致矯頑場(chǎng)增加從而增加調(diào)控難度,而熱漲落也開(kāi)始影響磁疇的穩(wěn)定性.因此還需大力探索納米尺度異質(zhì)結(jié)制備的新工藝,發(fā)展調(diào)控和探測(cè)的新手段,探索電控磁反轉(zhuǎn)新規(guī)律、新機(jī)理及新理論.為了清楚地觀測(cè)和調(diào)控納米尺度磁疇,還需發(fā)展高分辨納米磁疇觀測(cè)和原位施加電場(chǎng)調(diào)控手段,目前常用觀測(cè)手段如XCDM-PEEM和磁光克爾效應(yīng)等有很好的靈敏度,但在納米尺度分辨率較低;其他磁疇探測(cè)手段如SEMPA、洛倫茲透射電子顯微鏡探測(cè)手段可達(dá)到納米尺度,不過(guò)也面臨原位加電場(chǎng)的困難;而MFM可獲得較高的分辨率(30—50 nm),并較為方便地對(duì)單個(gè)納米點(diǎn)施加電場(chǎng),雖成像速度較慢,但不失為一種較簡(jiǎn)便的小尺度磁疇探測(cè)和調(diào)控手段.

2016年,高興森研究組[76]利用MFM和針尖原位加場(chǎng)法探索了小尺度的有序BFO/CoFe2O4/SrRuO3外延納米點(diǎn)(直徑約60 nm)陣列的電控磁性(如圖13(a)所示).這種0-0型結(jié)構(gòu)可減少薄膜和界面的挾持效應(yīng),顯著提高磁電耦合特性.同時(shí),利用針尖施加電場(chǎng),可導(dǎo)致部分納米點(diǎn)的磁化反轉(zhuǎn),表現(xiàn)為MFM襯度改變(如圖13(c)所示).這種電控磁陣列結(jié)構(gòu)可達(dá)到近100 Gbit/inch2的密度,與集成器件工藝較為兼容,有望用于磁電存儲(chǔ).然而,器件中電控磁翻轉(zhuǎn)并不可控,還不能實(shí)現(xiàn)往復(fù)翻轉(zhuǎn),有待進(jìn)一步提高.

圖13 高密度外延陣列的BFO/CoFe2O4/SrRuO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米點(diǎn)的磁電耦合特性[76](a)納米點(diǎn)陣列的示意圖及基于MFM和PFM測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖;(b)單個(gè)納米點(diǎn)中磁場(chǎng)對(duì)壓電性能的影響;(c)通過(guò)原子力顯微鏡探頭施加±8.5 V偏置電壓后導(dǎo)致MFM像襯度明顯改變,表明電場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)部分納米點(diǎn)的磁疇翻轉(zhuǎn)Fig.13.Magnetoelectric couplings in well-ordered array of epitaxial BFO/CoFe2O4/SrRuO3heterostructured nanodots(～60 nm)[76]:(a)Schematic diagrams of nanodot array and testing system based on PFM and MFM;(b)e ff ect of magnetic fields on piezoelectric properties of a selected nandot;(c)MFM images of the nandots before and after applying an scanning electric bias through atomic force microscopy probe,indicating the occurence of magnetization reversal in some nanodots.

圖14 由類三角形納米Co點(diǎn)和四方相BFO組成的多鐵異質(zhì)結(jié)中電壓驅(qū)動(dòng)120?往復(fù)磁反轉(zhuǎn)[77] (a)多鐵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)在不同電壓驅(qū)動(dòng)下納米磁點(diǎn)的磁疇?wèi)B(tài)演化圖,類似磁疇?wèi)B(tài)電場(chǎng)(M-E)的回線Fig.14.Electric f i eld driven 120?magnetic state reversal in multiferroic heterostructure consisting of triangular shape Co nanomangts on super-tetragonal phase BFO f i lm[77]:(a)The schematic of a device structure;(b)magnetic state evolution of the triangular nanomagnts driven by various voltages,analogue to a M-E hysteresis loop.

為了提高納米尺度磁反轉(zhuǎn)的可控性,2018年,該研究組[77]還設(shè)計(jì)了超四方相BFO/類三角形納米Co點(diǎn)陣列構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)(見(jiàn)圖14).發(fā)現(xiàn)施加垂直電場(chǎng),可導(dǎo)致電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)120?磁翻轉(zhuǎn),并可多次往復(fù)反轉(zhuǎn).這種可控反轉(zhuǎn)被認(rèn)為歸因于界面交換耦合和應(yīng)變協(xié)同作用的結(jié)果,并通過(guò)微磁學(xué)模擬驗(yàn)證了這種多機(jī)理協(xié)同調(diào)控磁反轉(zhuǎn)的可行性.有意義的是,這種結(jié)構(gòu)還允許通過(guò)施加10 V脈沖長(zhǎng)度10 ns的高速電脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn),并表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性,具備與高密度集成工藝相兼容的架構(gòu).這些成果提供了一種建構(gòu)可高速讀寫(xiě)的高密度磁電存儲(chǔ)器件的新途徑,但為實(shí)現(xiàn)磁存儲(chǔ)器件的用途,還需發(fā)展更小尺度的電驅(qū)動(dòng)180?磁反轉(zhuǎn),提高讀寫(xiě)次數(shù)(如>106次),解決整個(gè)器件陣列的反轉(zhuǎn)成功率等問(wèn)題.

5 展望和總結(jié)

過(guò)去十年,電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁翻轉(zhuǎn)已經(jīng)取得很大突破,科學(xué)家們已提出了多種有效的調(diào)控機(jī)理和方案,并實(shí)現(xiàn)了90?或180?電驅(qū)動(dòng)磁翻轉(zhuǎn),然而與高密度器件應(yīng)用的要求還有不少差距,還面臨諸多挑戰(zhàn).除了前面討論的小尺度的挑戰(zhàn)外,下面列舉其他部分關(guān)鍵挑戰(zhàn)并對(duì)今后研究工作做出展望.

1)新機(jī)理和新方法的探索.納米尺度電控磁反轉(zhuǎn)的新機(jī)理和新方法有待進(jìn)一步探索,如利用界面電荷、界面電化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)理,以及多場(chǎng)耦合協(xié)同驅(qū)動(dòng)機(jī)理.最近,Yi等[78]對(duì)電荷媒介的電控磁翻轉(zhuǎn)開(kāi)展了理論嘗試,設(shè)計(jì)了Pt/FePt/MgO異質(zhì)結(jié)(其中磁點(diǎn)為橢圓結(jié)構(gòu)),并利用第一性原理結(jié)合變溫動(dòng)力學(xué)微磁模擬進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)施加短脈沖電場(chǎng)可改變界面電荷并誘導(dǎo)產(chǎn)生磁各向異性,從而驅(qū)動(dòng)磁疇產(chǎn)生阻尼進(jìn)動(dòng)導(dǎo)致180?磁反轉(zhuǎn),類似應(yīng)力驅(qū)動(dòng)作用.Bauer等[79]在SiO2/Ta/Pt/Co/GdOx異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn),通過(guò)施加電場(chǎng)可導(dǎo)致界面Co的氧化還原反應(yīng),導(dǎo)致磁各向異性的往復(fù)切換.Nawaoka等[80]還發(fā)現(xiàn),在Au/Fe/MgO中施加電場(chǎng),還可誘導(dǎo)產(chǎn)生自旋DM相互作用.劉明研究組[81]還通過(guò)膠體電解質(zhì)施加電場(chǎng)調(diào)控了人工反鐵磁多層膜的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida相互作用.這些新穎的調(diào)控機(jī)理,給納米尺度電控磁器件帶來(lái)更多選擇方案.另外,與單一機(jī)理調(diào)控相比,多機(jī)理聯(lián)合可綜合各自優(yōu)勢(shì),獲得更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力.如,Gao等[82]利用應(yīng)變和交換偏置協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)電控磁135?反復(fù)反轉(zhuǎn).而上節(jié)也談到,利用BFO中應(yīng)變和交換耦合作用,也可有效驅(qū)動(dòng)三角狀納米磁點(diǎn)產(chǎn)生高速、高穩(wěn)定性的磁反轉(zhuǎn)[77],也表明了多機(jī)理聯(lián)合可成為一種調(diào)控磁反轉(zhuǎn)的有效途徑.

另一方面,電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)奇異磁疇結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了一些有趣的現(xiàn)象,值得引起關(guān)注.如微米/納米環(huán)中會(huì)出現(xiàn)Onion磁疇?wèi)B(tài)及渦旋態(tài),并可以通過(guò)襯底應(yīng)變控制Onion疇壁移動(dòng),實(shí)現(xiàn)90?或不同角度的可控磁旋轉(zhuǎn)[83,84].值得一提的是,也有報(bào)道利用電場(chǎng)反轉(zhuǎn)渦旋疇的手性[85],通過(guò)應(yīng)力和電場(chǎng)調(diào)控斯格明子(skyrmion)形態(tài)[86?89].這些研究有望開(kāi)啟一些新現(xiàn)象、新機(jī)理、新的調(diào)控方法、以及新器件用途的大門(mén).

2)原型器件開(kāi)發(fā)及關(guān)鍵指標(biāo)問(wèn)題.為推進(jìn)器件應(yīng)用,原型器件研究也需要進(jìn)一步推進(jìn).磁反轉(zhuǎn)可導(dǎo)致很好的寫(xiě)入,而如何高效讀出也是一個(gè)重要問(wèn)題,如Ramesh研究組[71]已經(jīng)嘗試制造用自旋閥結(jié)構(gòu)(spin vale)讀出磁方向.另外,器件相關(guān)保持特性等指標(biāo)的提高也勢(shì)在必行.目前鐵磁疇的穩(wěn)定性較好,但大多電控磁器件重復(fù)性還不太好,如基于垂直BFO異質(zhì)結(jié)的電控磁,只能往復(fù)反轉(zhuǎn)3個(gè)循壞,還需大力提高其反轉(zhuǎn)的重復(fù)性.另外,在多次反轉(zhuǎn)下,BFO面內(nèi)疇難以保持確定性反轉(zhuǎn),也會(huì)影響交換耦合的重復(fù).為此,可以采用單疇BFO薄膜或外延納米島,便于提高電疇反轉(zhuǎn)確定性和重復(fù)性.此外,在存儲(chǔ)單元陣列中,不同器件單元的磁反轉(zhuǎn)成功率也很重要,雖然目前還未得到較多關(guān)注.如在文獻(xiàn)[61]中,施加同樣應(yīng)變于多個(gè)納米磁點(diǎn),只有部分磁點(diǎn)可以發(fā)生反轉(zhuǎn),這可能是電疇不均勻性或局部釘扎效應(yīng)所致.因此,提高疇反轉(zhuǎn)的均勻性和一致性也成為器件化亟待解決的問(wèn)題.

總之,本文針對(duì)電控磁器件化發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題,對(duì)微納米尺度電控磁反轉(zhuǎn)研究的最新進(jìn)展做了一些回顧,主要對(duì)當(dāng)前主流應(yīng)力耦合驅(qū)動(dòng)磁反轉(zhuǎn),以及基于BFO異質(zhì)結(jié)交換偏置驅(qū)動(dòng)電控磁的一些重要進(jìn)展進(jìn)行了梳理,討論了器件化進(jìn)程需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題,并對(duì)今后研究工作提出了一些展望.希望本文能對(duì)從事相關(guān)領(lǐng)域研究的研究生和科研工作者有所幫助.