Elektrisch veldcontrole van niet-vluchtige magnetisme in Co₂FeAl/PMN-PT heterostructuren bij kamertemperatuur

Samenvatting

We tonen aan dat een half-metalische Heusler legering, Co₂FeAl, afgestort op een Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃ (PMN-PT) piezo-elektrisch substraat, niet-vluchtige, elektrisch-veld-geïnduceerde veranderingen in zijn magnetische eigenschappen vertoont bij kamertemperatuur. Door gepulste elektrisch velden toe te passen langs de [100] en [01–1] kristalasassen, bereiken we twee stabiele, grote remanente magnetisatiestatussen die persisteren na verwijdering van het veld. Het effect ontstaat door de grote piezostrain gegenereerd in de PMN-PT laag, wat een haalbare weg biedt voor magneto-elektrische geheugentoestellen.

Achtergrond

De groeiende vraag naar hoge-snelheid, laag-vermogen en niet-vluchtige informatieopslag heeft het belang gewekt in magneto-elektrische (ME) koppeling binnen ferromagnetische/ferro-elektrische (FM/FE) heterostructuren. ME koppeling ontstaat voornamelijk via drie mechanismen: piezostrain, lading en uitwisselingsbias. Het piezostraineffect stelt in het bijzonder een aangelegd elektrisch veld in staat om strain te genereren in de ferro-elektrische laag, wat op zijn beurt de magnetische anisotropie van een aangrenzende ferromagneet moduleert. PMN-PT, met een grote d₃₃ piezo-elektrische coefficient, wordt breed eingesetzt als het ferro-elektrische component omdat de strain efficiënt kan worden overgedragen op de magnetische film. Co₂FeAl (CFA), een half-metalische Heusler legering, is een aantrekkelijke FM keuze vanwege zijn lage demping, hoge spinpolarisatie en Curie-temperatuur boven 1000 K, wat het ideaal maakt voor spintronische toepassingen. Eerder werk heeft aangetoond dat elektrisch-veld-geïnduceerde strain de magnetische easy-as kan roteren in FM/FE bilagen, maar een duidelijke demonstratie van niet-vluchtige, reversibele magnetisatiecontrole bij kamertemperatuur bleef uit. In deze studie vullen we die kloof door aan te tonen dat een CFA/PMN-PT (011) heterostructuur twee verschillende remanente magnetisatiestatussen behoudt na verwijdering van het elektrisch veld, een kenmerk van niet-vluchtige operatie geschikt voor geheugentechnologieën.

Methoden

De heterostructuur bestaat uit een 40 nm CFA film gesputterd op een (011)-georiënteerd PMN-PT substraat. DC magnetron sputteren werd uitgevoerd bij 600 °C onder een Ar druk van 0,1 Pa (10 SCCM). De basisdruk was 2 × 10⁻⁵ Pa. Platinumelektroden (10 nm boven, 50 nm onder) werden afgestort vanaf een 2 mm target. Koperdraden werden aan de elektroden gebonden met geleidende lijm. Statische magnetische eigenschappen werden gemeten met een trilmagnetometer (VSM, MicroSense EV9) terwijl een DC spanning van een Keithley 2410 bron werd toegepast op de piezo-elektrische laag. Magnetische domeinbeelden werden verkregen door magnetische krachtmicroscopie (MFM) met een Asylum Research© MFP-3D systeem met zachte magnetische tips gemagnetiseerd loodrecht op het monsteroppervlak. Alle metingen werden bij omgevingstemperatuur uitgevoerd.

Resultaten en discussie

De CFA/PMN-PT heterostructuur is geïllustreerd in Fig. 1a, met het in-plan coördinatensysteem in Fig. 1b. Het effectieve elektrisch-veld-geïnduceerde strainveld (Hσ) is orthogonaal aan het magnetische anisotropieveld (Hk). We definiëren de [100] richting als 0° en [01–1] als 90° (zie Fig. 1b). De PMN-PT polarisatie-elektrisch veld lus (P-E, 1 Hz) en strain-elektrisch veld curve (S-E) gemeten met ferro-elektrische en straingauges worden gepresenteerd in Fig. 1c, onthullend een verzadigingspolarisatie van ≈25 µC cm⁻² en een coercitief veld van ≈100 V (2,5 kV cm⁻¹). MFM-beeldvorming na verwijdering van een 1000 Oe veld (Fig. 1d) toont een streep-domeinpatroon, indicatief voor sterke loodrechte magnetische anisotropie. Hysteresislusen gemeten langs [100] en [01–1] onder elektrisch velden van ±0 en ±5 kV cm⁻¹ (Fig. 2a) bevestigen duidelijke in-plan anisotropie. De easy-as ligt langs [100] in de remanente polarisatiestoestand (−0 kV cm⁻¹), terwijl een 90° rotatie optreedt wanneer het substraat gepolariseerd wordt tot +5 kV cm⁻¹ (Fig. 2b). De anisotropie verdwijnt in de +0 kV cm⁻¹ toestand (Fig. 2c) en duikt weer op langs [100] wanneer het veld wordt geschakeld naar –5 kV cm⁻¹ (Fig. 2d). Rotatie VSM metingen (Fig. 2e) onthullen dat de relatieve remanente magnetisatie (Mr/Ms) een sinusoïdale afhankelijkheid volgt van de azimutale hoek, met de easy-as die 90° roteert naarmate het elektrisch veld varieert. De elektrisch-veldafhankelijkheid van de remanente magnetisatie werd verder onderzocht door E te laten lopen van +10 tot –10 kV cm⁻¹ na demagnetisatie van het monster (Fig. 3a,c). De resulterende vlinder-vormige Mr/Ms curves spiegelen het strain-E gedrag, bevestigend dat strain de magnetisatiecontrole domineert. Residuele magnetisatie in de remanente polarisatiestoestand (±0 kV cm⁻¹) verschilt van die na ±10 kV cm⁻¹, wat de intrinsieke residuele spanning van het PMN-PT substraat reflecteert. Om niet-vluchtige controle te demonstreren, werden gepulste elektrisch velden van ±5 of ±10 kV cm⁻¹ toegepast terwijl het monster eerst verzadigd werd bij 1200 Oe en daarna naar nul veld gebracht (Fig. 4). De resulterende Mr/Ms waarden (gelabeld A–H) tonen vier verschillende, stabiele statussen die persisteren na verwijdering van de puls, zowel langs [100] als [01–1]. Dit multistate gedrag illustreert het potentieel van piezostrain-gemedieerde controle voor polymorfe geheugentoestellen.

Conclusies

We hebben aangetoond dat een CFA/PMN-PT heterostructuur niet-vluchtige, elektrisch-veld-geïnduceerde modulatie van magnetische anisotropie en remanente magnetisatie vertoont bij kamertemperatuur. De streep-domeinstructuur waargenomen door MFM en de 90° rotatie van de easy-as onder ±5 kV cm⁻¹ bevestigen piezostrain-gemedieerde controle. Bovendien genereren gepulste elektrisch velden vier stabiele remanente statussen, wat een weg biedt naar multilevel magneto-elektrische geheugentoestellen.

Afkortingen

CFA

Co₂FeAl

DC

Direct current

FM/FE

Ferromagnetisch/ferro-elektrisch

ME

Magneto-elektrisch

MFM

Magnetische krachtmicroscopie

PMN-PT

Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–30%PbTiO₃

VSM

Trilmagnetometer