电驱动自旋电子原型器件研究取得新进展

 

  本研究组博士生杨盛玮在多铁性异质结逆磁电耦合方面取得有意义的进展,在室温下实现了电场调控的非易失180o磁翻转。近日,该工作成果以“Non-volatile 180o Magnetization Reversal by an Electric Field in Multiferroic Heterostructures”为题发表在材料类重要期刊《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.201402774)。该论文为李晓光教授课题组与清华大学南策文院士以及美国宾州州立大学陈龙庆教授的合作研究成果,博士生杨盛玮为文章的第一作者。
  传统的磁随机存储需要用磁场驱动磁矩转动,使得存储单元的体积和能耗相对较大。随着对器件小型化、多功能化以及低能耗的要求越来越高,需要发展同时具有两种或两种以上功能的新材料,研制能实现多种功能的新型器件。多铁材料同时具有铁磁和铁电等多种铁性有序以及独特的磁电耦合效应,可以通过电场调控磁矩转动,实现自旋状态的控制,突破自旋电子学的瓶颈,有助于器件小型化和多功能化,为后摩尔时代电子技术的发展提供了新的方向。然而普通的单相多铁材料的磁电耦合非常弱,且普遍仅存在于低温范围,无法实际应用。通过科学合理的设计,多铁异质结可以在室温下通过电场操控磁矩转动。
  通常情况下电控磁一般表现为易失的效应,外加电场撤去后磁变化无法保持,不利于信息存储等。即使是非易失的电控磁矩转动,也还存在许多问题,比如操作复杂,非易失效应分布不均匀且仅存在于异质结的极少数区域。所以,如何在大范围内对磁矩取向实现非易失的电场调控仍然存在巨大的挑战。
  杨盛玮博士针对该研究瓶颈,设计了一种Co/PMN-PT多铁性异质结结构,通过巧妙的设计电极化结构,有效排除了传统电极化结构中铁电场效应的影响,为电场控制的磁矩转动提供了可观的面内应变。通过控制电极化,使得压应变引起的磁弹各向异性与Co薄膜的界面磁各向异性竞争,即使无外加磁场,也可以在室温下通过电场调控实现90o甚至180o的非易失磁矩转动。在此基础上,设计了电场控制的三阻态自旋阀存储器原型,以及电场控制的单刀双掷开关和两输入端的三态门等逻辑器件。该项研究成果不仅揭示了多铁异质结中电场控制磁矩转动的机制,而且在较大范围内利用电场调控进行了180o磁翻转的操作,为无需外加磁场的磁矩翻转提供了新的研究思路。

多铁异质结中电场调控的非易失180o磁翻转工作刊登在《Advanced Materials》 

   上述研究工作得到了国家自然科学基金委及科技部资助。

 

 

  
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