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膜异质结构中的低压磁电耦合

导读 铁电和铁磁异质结构中的应变介导磁耦合可以为低功耗多功能设备的科学研究提供独特的机会。铁电体是可以保持自发和可逆电极化的材料。表现出...

铁电和铁磁异质结构中的应变介导磁耦合可以为低功耗多功能设备的科学研究提供独特的机会。铁电体是可以保持自发和可逆电极化的材料。表现出高电致伸缩的弛豫铁电体由于其大的压电性是铁电层构造的理想候选者。尽管弛豫铁电体的特性是已知的,但它们的机械起源仍然是个谜,从而产生了一种神秘的材料形式。除此之外,薄膜在基板夹持方面是无效的,并且可以显着降低压电面内应变。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中、Shane Lindemann 和和韩国的材料科学和物理学研究团队利用材料取向引起的各向异性应变,在全薄膜异质结构中展示了低压磁电耦合。该团队使用了理想的 Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 –PbTiO 3铁电层,缩写为PMN-PT在这项工作中,并将其与铁磁镍覆盖层耦合以创建具有磁化的膜异质结构。他们使用扫描透射电子显微镜和相场模拟阐明了膜响应,以了解 PMN-PT 薄膜的微观结构行为,然后将它们用于压电驱动的磁电异质结构中。

磁电 (ME) 耦合

磁场的电场控制也称为逆磁电耦合,具有用于下一代存储器存储和传感技术的潜力。PMN-PT 材料作为弛豫铁电材料很受关注,可用作具有大压电成分的铁电层。通过将弛豫铁电体与包含大磁致伸缩的铁磁体耦合,可以通过将电压感应应变从铁电层转移到铁磁层来实现反向 ME 耦合,从而实现面内各向异性、隧道磁阻的应变介导控制,铁磁共振和电导率. 最近采取的低功耗器件ME驱动器和微型和纳米机电系统的发展导致了弛豫铁电薄的进一步研究电影。由于机械夹持,减小弛豫铁电体的薄膜尺寸会导致压电性大幅降低,因此科学家的目标是成功克服这一挑战,将弛豫铁电体薄膜集成到高性能器件中。在这项工作中,Lindemann 等人。克服了夹紧问题,并在全薄膜异质结构中展示了低压应变介导的 ME 耦合。这项工作突出了弛豫铁电薄膜的微观性质,为它们在低功率压电驱动磁电器件中的

林德曼等人。使用纵向磁光克尔效应(MOKE) 磁滞回线测量镍覆盖层中磁各向异性的应变引起的变化,作为 PMN-PT 偏置电场的函数。然后,他们展示了去除基板机械夹紧以实现大的各向异性面内应变的重要性。为了了解从磁光克尔效应滞后推断的应变行为,Lindeman 等人。绘制了计算出的磁各向异性能量密度,由硬轴环的饱和场确定,以及基于镍的已知磁致伸缩的已知微分应变。然后他们使用扫描透射电子显微镜确定了生长的 PMN-PT 膜的域结构. 单晶材料在薄膜生长过程中表现出具有晶格失配的柱状结构。研究结果类似于与实验模型一致的混合铁电和弛豫域结构。

PMN-PT 膜的相场模拟

为了了解 PMN-PT 膜的应变行为,科学家接下来进行了相场模拟。为了测量平均应变,他们计算了单个自发极化元件的应变贡献,乘以电致伸缩张量。模拟的起点表明实验 PMN-PT 膜的铁电印记周围的预期结构。模拟结果定性地与在 PMN-PT/镍膜中测量的实验应变和极化一致。虽然从实验 MOKE(磁光克尔效应)回路计算的应变相对于从模拟计算的应变表现出水平和垂直偏移,但定性地,这两条曲线是相似的。

外表

通过这种方式,Shane Lindemann 及其同事在全薄膜异质结构中展示了低电压、应变介导的磁电 (ME) 效应。该薄膜仅依赖于PMN-PT薄膜固有的大的各向异性应变。在这项工作中使用的 PMN-PT/镍膜在小偏压下实现了镍覆盖层的平面内磁各向异性的 90 度旋转,以产生应变各向异性,由输入控制PMN-PT薄膜的平面晶体对称性。科学家们使用扫描透射电子显微镜展示了PMN-PT膜的微观结构。. 然后使用块状 PMN-PT,他们展示了该材料如何表现出面内和面外偏振态之间的永久切换;这种行为为内存存储提供了一个理想的特性。这项工作提供了对 PMN-PT 薄膜膜微观结构行为的关键见解,以展示它们在磁电耦合装置中的应用,并预测它们与各种其他材料的使用,以发现以前未知的压电驱动现象。