Réglage du champ électrique Magnétisme non volatil dans les alliages semi-métalliques Co2FeAl/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 Hétérostructure

Contexte

Avec le développement rapide des technologies de l'information, la demande croissante de haute vitesse, de faible dissipation de puissance et de non-volatilité dans les dispositifs appliqués a reçu une grande attention ces dernières années. Afin de répondre au besoin, le magnétisme de contrôle du champ électrique via un couplage magnétoélectrique (ME) dans les hétérostructures multiferroïques ferromagnétiques/ferroélectriques (FM/FE) s'est avéré capable de fournir une combinaison des avantages ci-dessus. Dans ces hétérostructures FM/FE [1,2,3,4,5,6,7,8,9], les mécanismes de couplage ME ont été largement reconnus sous trois aspects, notamment l'effet piézostrain, l'effet de charge et le biais d'échange [10, 11,12,13,14,15]. Parmi ceux-ci, la piézostrain est obtenue par effet piézostrain lorsque le champ électrique a été appliqué sur le matériau ferroélectrique, ce qui peut induire une réponse magnétique importante de la couche magnétique. Sur la base du couplage ME induit par piézostrain, le matériau cristallin ferroélectrique particulier Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ -30%PbTiO₃ (PMN-PT) avec un effet piézoélectrique important est souvent utilisé dans l'hétérostructure FM/FE, car le d ₃₃ du matériau est beaucoup plus grand que le d ₃₁; la contrainte ou la charge induite par le champ électrique appliqué à la couche PMN-PT peut manipuler l'anisotropie magnétique de la couche magnétique adjacente, ce qui entraîne un effet ME [16,17,18]. Dans l'hétérostructure FM/FE, l'alliage Heusler semi-métallique Co₂ FeAl (CFA) comme couche magnétique devrait être utilisé comme choix de matériau éligible [19,20,21,22]. Le film mince CFA a d'excellentes propriétés matérielles, telles qu'une faible constante d'amortissement magnétique, une polarisation de spin élevée et une température de Curie élevée (1000 K), qui sont considérées comme des sources d'électrons à polarisation de spin idéales pour les dispositifs de spintronique [23, 24]. Wu et. Al. ont rapporté la réponse de contrainte piézoélectrique dans le matériau ferroélectrique unique orienté (011). Les changements relativement importants de la déformation rémanente ont été obtenus uniquement appliqués et libérés par un champ électrique [25]. Cependant, les propriétés magnétiques médiées par piézostrain d'une couche magnétique en appliquant un champ électrique sur le substrat PMN-PT sont essentielles pour l'application dans les dispositifs électroniques. Par conséquent, dans cet article, nous avons étudié les propriétés magnétiques non volatiles induites par un champ électrique dans Co₂ FeAl/Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ -PbTiO₃ hétérostructure à température ambiante. L'aimantation rémanente induite par un champ électrique non volatil dans les directions [100] et [01-1] a été obtenue, et les deux états d'aimantation rémanente réversible et stable géants sont obtenus en appliquant un champ électrique pulsé [26]. Cela peut être attribué à l'effet piézoélectrique provenant du substrat piézoélectrique, qui peut être un candidat potentiel pour l'application de dispositifs électroniques.

Méthodes

L'hétérostructure était composée d'alliage CFA comme couche FM et de PMN-PT (011) comme couche FE. Un film mince CFA a été déposé par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu (CC) à 600 °C sous une pression d'Ar de 0,1 Pa et un débit à 10 SCCM (SCCM désigne un centimètre cube par minute à STP), avec une pression de base de 2 × 10 ⁻⁵ Pa. L'épaisseur du film mince CFA était de 40 nm. Les couches de Pt ont été pulvérisées par une cible de Pt de 2 mm d'épaisseur en tant qu'électrodes. L'épaisseur des couches de Pt supérieure et inférieure était respectivement de 10 et 50 nm. Des fils de cuivre ont été reliés aux électrodes par le ruban adhésif. Les propriétés magnétiques statiques de l'hétérostructure CFA/PMN-PT ont été étudiées par magnétomètre à échantillon vibrant (VSM, MicroSense EV9). L'alimentation CC (Keithley 2410) a été utilisée pour fournir une tension polarisée. Les images du domaine magnétique ont été enregistrées par microscopie à force magnétique (MFM) en utilisant Asylum Research© MFP-3D à température ambiante avec des pointes magnétiques douces magnétisées perpendiculairement au plan de l'échantillon. Toutes les mesures ont été effectuées à température ambiante.

Résultats et discussions

Les blocs de construction de base de l'hétérostructure CFA/PMN-PT et le système de coordonnées de la mesure magnétique statique dans le plan ont été montrés dans les Fig. 1a, b, respectivement. Le champ piézoélectrique effectif induit par le champ électrique (H _σ ) et champ d'anisotropie magnétique (H _k ) sont perpendiculaires l'un à l'autre. On définit le champ magnétique H appliqué le long de la direction [100] à 0°, tandis que la direction [01-1] à 90° [26]. A partir de la boucle d'hystérésis PMN-PT (P -E boucle, 1 Hz) et courbe de déformation (S -E ), qui a été mesurée par des jauges ferroélectriques et de contrainte sur la Fig. 1c, nous pouvons voir que la polarisation de saturation de PMN-PT est d'environ 25 μCcm ⁻² , et le champ coercitif est d'environ 100 V (2,5 KVcm ⁻¹ ). L'image MFM est mesurée lorsque le champ magnétique appliqué 1000 Oe a été supprimé, comme le montre la figure 1d. Les zones sombres et claires indiquent la formation d'une composante d'aimantation hors du plan. Par conséquent, un réseau de domaines magnétiques oscillants « de haut en bas » se forme, connu sous le nom de domaine de bande (SD), ce qui suggère l'existence d'une anisotropie magnétique perpendiculaire importante [27].

Schéma de l'hétérostructure multiferroïque CFA/PMN-PT (a ) et schématique du système de coordonnées (b ). α , φ , et θ sont les angles du champ piézoélectrique effectif induit par le champ électrique (H _σ ), champ d'anisotropie magnétique (H _k ), et la magnétisation (M _s ) par rapport au champ effectif total (H ₀ ), respectivement. θ ₀ est l'angle du H _k par rapport au champ magnétique (H ). c La boucle d'hystérésis (P -E boucle, 1 Hz) et courbe de déformation (S -E ) du substrat PMN-PT selon la direction [100]. d Une image MFM typique d'un film CFA

Les boucles d'hystérésis magnétique de l'hétérostructure CFA/PMN-PT ont été mesurées selon la direction de [100] et [01-1] sous des champs électriques appliqués de ± 0 et ± 5 kVcm ⁻¹ [11]. Le champ électrique a été appliqué de haut en bas comme positif, sinon négatif. Les − 0 et + 0 kVcm ⁻¹ sont des états de polarisation résiduelle après les champs électriques appliqués de − 10 et + 10 kVcm ⁻¹ éteint, respectivement. Les boucles d'hystérésis magnétique illustrées sur la figure 2a indiquaient une anisotropie magnétique claire dans le plan. La ligne bleue représente la direction de magnétisation facile de la boucle d'hystérésis dans le plan le long de la direction [100], et la magnétisation rémanente est significativement plus petite que la magnétisation de saturation. Le M -H boucles ont été constituées par un processus de deux aimantations :le M -H la courbe présente une relation linéaire entre le champ magnétique appliqué du champ de saturation positif au champ de coercivité négatif et l'inverse brusque de M lorsque le H atteint le champ de coercitivité ; le M -H la courbe revient à une relation linéaire à mesure que le champ magnétique appliqué continue de diminuer, ce qui peut être considéré que le film a une structure de domaine en bande. La ligne rouge indique la direction d'aimantation dure, qui est mesurée le long de la direction [01-1]. La figure 2b montre les boucles d'hystérésis de l'hétérostructure CFA/PMN-PT sous le champ électrique E = 5 kVcm ⁻¹ . Par rapport au résultat illustré à la Fig. 1a, la direction de l'axe facile tourne de 90°, c'est-à-dire qu'elle tourne de la direction [100] à [01-1] [28,29,30]. Comme le montre la figure 2c, la ligne bleue coïncide avec la ligne rouge et l'anisotropie magnétique dans le plan disparaît sous l'état de polarisation + 0 kVcm ⁻¹ . L'axe magnétique facile revient dans la direction [100] lorsque le champ électrique appliqué continue de diminuer jusqu'à − 5 kVcm ⁻¹ comme le montre la figure 2d. Afin d'étudier le changement du champ d'anisotropie magnétique avec différents champs électriques, l'aimantation rémanente à différents angles a été mesurée comme le montre la figure 2e. Dans cette mesure, l'échantillon a été tourné de 0° à 360° dans le plan avec un pas de 5°. L'anisotropie magnétique dans le plan est mesurée dans l'hétérostructure CFA/PMN-PT. À − 0 kVcm ⁻¹ , la direction de magnétisation facile de la courbe de magnétisation rémanente dans le plan est le long de la direction [100]. La valeur de l'aimantation rémanente relative (M _r /M _s ) est significativement plus petit que 1, ce qui indique qu'une partie de l'arrangement du moment magnétique n'est pas cohérent. Avec un champ électrique croissant jusqu'à + 2,5 kVcm ⁻¹ , l'anisotropie magnétique diminue. En continuant à augmenter le champ électrique jusqu'à + 5 kVcm ⁻¹ , l'anisotropie magnétique dans le plan réapparaît. Par rapport à la courbe d'aimantation rémanente à − 0 et + 5 kVcm ⁻¹ , l'axe facile pivote de 90°, ce qui est cohérent avec le résultat des boucles d'hystérésis illustrées sur les Fig. 2a, b. Cela peut être attribué à l'effet piézoélectrique induit par le champ électrique, et l'effet piézoélectrique de PMN-PT produira une nouvelle anisotropie magnétique (anisotropie de contrainte H _σ ) dans l'hétérostructure CFA/PMN-PT. L'anisotropie magnétique des hétérostructures CFA/PMN-PT est affectée par la combinaison de H _σ et H _k [31].

a–d L'hystérésis magnétique boucle à − 0, 0, 5 et − 5 kVcm ⁻¹ , respectivement. e Mesuré M _r /M _s contre θ ₀ courbes sous divers champs électriques

Afin de vérifier l'effet piézostrain induit par le champ électrique, l'aimantation rémanente avec le champ électrique appliqué dans les directions [01-1] et [100] a été mesurée. Nous avons mesuré le changement de magnétisation rémanente en balayant le champ électrique après avoir supprimé le champ magnétique de saturation 1200 Oe dans les directions [100] et [01-1], respectivement. On obtient l'aimantation rémanente de type papillon asymétrique en fonction du champ électrique appliqué. Nous pouvons déterminer que la rémanence de l'hétérostructure CFA/PMN-PT est sensible à un champ électrique en forme de papillon; le M -E les courbes ont été mesurées en balayant le champ électrique de + 10 à − 10 kVcm ⁻¹ dans la Fig. 3a, c. Cette réponse est symétrique de la courbe de variation de contrainte avec le champ électrique, ce qui indique que l'effet de contrainte joue un rôle dominant dans le contrôle magnétique de l'échantillon. Il convient de noter que l'aimantation résiduelle dans l'état de polarisation résiduelle (± 0 kVcm ⁻¹ ) est différent de + 10 kVcm ⁻¹ démontré par les lettres majuscules A et E sur la Fig. 3 et − 10 kVcm ⁻¹ démontré par B et F, qui est la contrainte résiduelle du substrat PMN-PT. L'état de polarisation résiduelle est la rémanence du 0 kVcm ⁻¹ état, qui est dérivé de la contrainte résiduelle du substrat PMN-PT, et pas le même à + 10 et − 10 kVcm ⁻¹ . Il est cohérent avec la déformation résiduelle de la courbe de déformation de la figure 1c.

un , c La dépendance de M _r /M _s du champ électrique a été mesuré en balayant le champ électrique de + 10 à - 10 kVcm ⁻¹ dans les directions [100] et [01-1], respectivement. b , d La dépendance de M _r /M _s sur le champ électrique a été mesurée en balayant le champ électrique de la forme + 5 à − 5 kVcm ⁻¹ dans les directions [100] et [01-1], respectivement. Les chiffres et les flèches expriment les étapes et la direction de la mesure. Et les majuscules dans cette figure expriment les valeurs de M _r /M _s aux états de polarisation restants

Nous avons mené des expériences sur la relation entre la rémanence à l'état de polarisation non saturé (± 5 kVcm ⁻¹ ) avec le champ électrique dans les directions [100] et [01-1], afin de refléter le contrôle non volatile du champ électrique. On peut constater que le changement de la rémanence avec le champ électrique montre également un changement dans la forme en forme de boucle, et la rémanence de l'échantillon montre une bonne non volatile, qui provient de la contrainte de polarisation restante sous le positif et des champs électriques négatifs, comme le montre la Fig. 3b, d. Cela a de bonnes perspectives pour les dispositifs de mémoire non volatile tolérants au stress.

Pour l'application de mémoire magnétique, la rémanence non volatile dans le champ électrique pulsé a été obtenue, comme le montre la figure 4. Champs électriques positifs et négatifs intermittents de ± 5 ou ± 10 kVcm ⁻¹ sont appliqués sur l'échantillon dans les directions [100] et [01-1]. Premièrement, le champ magnétique est réglé à 1200 Oe et réduit à 0 par la suite. Ensuite, le champ électrique pulsé est d'abord bloqué à ± 5 kVcm ⁻¹ dans la direction [100] et réduite à 0 par la suite avec les résultats des deux états de polarisation résiduels démontrés par les lettres majuscules A et B sur la figure 4a. Le cas similaire pour ± 10 kVcm ⁻¹ a également été observé comme d'autres états de polarisation résiduelle C et D sur la figure 4a, ce qui reflète également les états non volatils de notre échantillon. Lorsque les champs électriques pulsés sont appliqués à − 5 ou − 10 kVcm ⁻¹ et réduite à 0 par la suite, on voit que la rémanence est relativement grande immédiatement, et lorsqu'elle est appliquée à 5 ou 10 kVcm ⁻¹ et réduite à 0 par la suite, la rémanence est significativement réduite; ce phénomène et la valeur de M _r /M _s sont cohérents avec les résultats de la Fig 3a, b. Nous avons effectué une mesure similaire dans l'autre sens de l'échantillon et obtenu des résultats similaires à ceux indiqués sur la figure 4b. On peut voir que quatre états magnétiques résiduels distincts et stables sont commutés par deux champs électriques pulsés. Les quatre états résistifs de E, F, G et H sont générés par la commutation de champ électrique pulsé de ± 5 et ± 10 kVcm ⁻¹ puis instantanément retiré dans la direction [01-1], respectivement. En résumé, la rémanence de Co₂ FeAl/PMN-PT hétérogène est le contrôle du stress et réalise ainsi la rémanence multi-états sous le champ électrique pulsé, qui peut être utilisé pour le stockage polymorphe.

Le rapport de magnétisation résiduelle normalisé M _r /M _s sous le champ électrique pulsé. un Le changement de M _r /M _s sous les champs électriques pulsés ± 5 et ± 10 kVcm ⁻¹ le long de la direction [100], respectivement. b Le changement de M _r /M _s sous le champ électrique pulsé ± 5 et ± 10 kVcm ⁻¹ le long de la direction [01-1], respectivement. Les lettres majuscules de cette figure expriment les différents états de polarisation résiduelle

Conclusions

En résumé, les propriétés magnétiques non volatiles induites par un champ électrique dans l'hétérostructure CFA/PMN-PT sont étudiées à température ambiante. La structure du domaine rayé a été obtenue par la mesure MFM dans le film CFA. L'anisotropie magnétique est modulée par le champ électrique. Le résultat mesuré par l'angle de rotation VSM démontre une rotation facile de l'axe magnétique non volatile de 90° à médiation piézo-électrique à − 0 et + 5 kVcm ⁻¹ . De plus, l'inversion de la magnétisation rémanente stable non volatile induite par la piézostrain dans les deux directions est observée sous des champs électriques pulsés positifs et négatifs, qui peuvent être utilisés pour le stockage magnétique [32, 33].

Abréviations

CFA :

Co₂ FeAl

DC :

Courant continu

FM/FE :

Ferromagnétique/ferroélectrique

ME :

Magnétoélectrique

MFM :

Microscopie à force magnétique

PMN-PT :

Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ -30%PbTiO₃

VSM :

Magnétomètre à échantillon vibrant