Ajuste do campo elétrico Magnetismo não volátil em ligas semimetálicas Co2FeAl / Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) O3-PbTiO3 Heteroestrutura

Resumo

Nós relatamos as propriedades magnéticas mediadas por campo elétrico não volátil na liga de Heusler semimetálica Co ₂ FeAl / Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ -PbTiO ₃ heteroestrutura à temperatura ambiente. A magnetização remanente com diferentes campos elétricos aplicados ao longo das direções [100] e [01-1] foi alcançada, o que mostrou a magnetização remanente não volátil conduzida por um campo elétrico. Os dois estados de magnetização remanente gigante reversível e estável foram obtidos aplicando campo elétrico pulsado. Isso pode ser atribuído ao efeito piezostrain originado do substrato piezoelétrico, que pode ser usado para dispositivos de memória baseados em magnetoeletricidade.

Histórico

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia da informação, a crescente demanda por alta velocidade, baixa dissipação de energia e não volatilidade em dispositivos aplicados tem recebido grande atenção nos últimos anos. Visando atender a necessidade, o magnetismo de controle de campo elétrico via acoplamento magnetoelétrico (ME) nas heteroestruturas multiferróicas ferromagnéticas / ferroelétricas (FM / FE) provou ser capaz de fornecer uma combinação das vantagens acima. Nessas heteroestruturas FM / FE [1,2,3,4,5,6,7,8,9], os mecanismos de acoplamento ME foram amplamente reconhecidos como três aspectos, incluindo efeito piezostrain, efeito de carga e viés de troca [10, 11,12,13,14,15]. Dentre estes, o piezostrain é obtido pelo efeito piezostrain quando o campo elétrico foi aplicado sobre o material ferroelétrico, o que pode induzir uma grande resposta magnética da camada magnética. Com base no acoplamento ME mediado por piezostrain, o material de cristal ferroelétrico particular Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ -30% PbTiO ₃ (PMN-PT) com um grande efeito piezostrain é frequentemente usado na heteroestrutura FM / FE, porque o d ₃₃ do material é muito maior do que o d ₃₁; deformação ou carga induzida por campo elétrico aplicado à camada PMN-PT pode manipular a anisotropia magnética da camada magnética adjacente, o que resulta em um efeito ME [16,17,18]. Na heteroestrutura FM / FE, a liga de Heusler semimetálica Co ₂ FeAl (CFA) como a camada magnética deve ser usado como uma escolha de material elegível [19,20,21,22]. O filme fino CFA tem excelentes propriedades de material, como baixa constante de amortecimento magnético, alta polarização de spin e alta temperatura de Curie (1000 K), que são consideradas fontes de elétrons com spin polarizado ideal para dispositivos spintrônicos [23, 24]. Wu et. al. relatou a resposta de deformação piezoelétrica no material ferroelétrico único orientado para (011). As mudanças relativamente grandes na deformação remanente foram obtidas apenas aplicadas e liberadas por um campo elétrico [25]. No entanto, as propriedades magnéticas mediadas por piezostrain de uma camada magnética pela aplicação de um campo elétrico no substrato PMN-PT são essenciais para a aplicação em dispositivos eletrônicos. Portanto, neste artigo, investigamos propriedades magnéticas mediadas por campo elétrico não volátil em Co ₂ FeAl / Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ -PbTiO ₃ heteroestrutura à temperatura ambiente. A magnetização remanente controlada por campo elétrico não volátil ao longo das direções [100] e [01-1] foi alcançada, e os dois estados de magnetização remanente gigante reversível e estável são obtidos pela aplicação de campo elétrico pulsado [26]. Isso pode ser atribuído ao efeito piezostrain originado do substrato piezoelétrico, que pode ser um candidato potencial para aplicação em dispositivos eletrônicos.

Métodos

A heteroestrutura foi composta por liga CFA como camada FM e PMN-PT (011) como camada FE. O filme fino de CFA foi depositado por pulverização catódica de magnetron de corrente contínua (DC) a 600 ° C sob uma pressão de Ar de 0,1 Pa e taxa de fluxo de 10 SCCM (SCCM denota centímetro cúbico por minuto em STP), com uma pressão de base de 2 × 10 ⁻⁵ Pa. A espessura da película fina de CFA era de 40 nm. As camadas de Pt foram pulverizadas por alvo de Pt de 2 mm de espessura como eletrodos. A espessura das camadas superior e inferior de Pt foram de 10 e 50 nm, respectivamente. Fios de cobre foram conectados aos eletrodos pela fita adesiva. As propriedades magnéticas estáticas da heteroestrutura CFA / PMN-PT foram investigadas por magnetômetro de amostra vibratória (VSM, MicroSense EV9). A fonte de alimentação DC (Keithley 2410) foi usada para fornecer tensão polarizada. As imagens do domínio magnético foram registradas por microscopia de força magnética (MFM) usando Asylum Research © MFP-3D em temperatura ambiente com pontas magnéticas macias magnetizadas perpendicularmente ao plano da amostra. Todas as medições foram realizadas à temperatura ambiente.

Resultados e discussões

Os blocos de construção básicos da heteroestrutura CFA / PMN-PT e do sistema de coordenadas de medição magnética estática no plano foram mostrados na Fig. 1a, b, respectivamente. O campo piezostrain induzido por campo elétrico efetivo ( H _σ ) e campo de anisotropia magnética ( H _k ) são perpendiculares entre si. Nós definimos o campo magnético H aplicada ao longo da direção [100] como 0 °, enquanto a direção [01-1] como 90 ° [26]. Do ciclo de histerese PMN-PT ( P - E loop, 1 Hz) e curva de deformação ( S - E ), que medido por medidores ferroelétricos e extensômetros na Fig. 1c, podemos ver que a polarização de saturação do PMN-PT é de cerca de 25 μCcm ⁻² , e o campo coercivo é de cerca de 100 V (2,5 KVcm ⁻¹ ) A imagem MFM é medida quando o campo magnético aplicado 1000 Oe foi removido, conforme mostrado na Fig. 1d. As áreas escuras e claras indicam a formação de um componente de magnetização fora do plano. Consequentemente, uma matriz de formas oscilantes de domínio magnético “para cima e para baixo”, conhecido como domínio de faixa (SD), sugere a existência de anisotropia magnética perpendicular considerável [27].

Os loops de histerese magnética da heteroestrutura CFA / PMN-PT foram medidos ao longo da direção de [100] e [01-1] sob campos elétricos aplicados de ± 0 e ± 5 kVcm ⁻¹ [11]. O campo elétrico foi aplicado de cima para baixo como positivo, caso contrário, negativo. O - 0 e + 0 kVcm ⁻¹ são estados de polarização remanescentes após os campos elétricos aplicados de - 10 e + 10 kVcm ⁻¹ desligado, respectivamente. Os loops de histerese magnética, conforme mostrado na Fig. 2a, indicaram uma anisotropia magnética clara no plano. A linha azul representa a direção de magnetização fácil do loop de histerese no plano ao longo da direção [100], e a magnetização remanescente é significativamente menor do que a magnetização de saturação. O M - H loops foram constituídos por um processo de magnetização de dois:o M - H curva exibe uma relação linear entre o campo magnético aplicado do campo de saturação positiva para o campo de coercividade negativa e o reverso abrupto de M quando o H atinge o campo de coercividade; o M - H a curva retorna à relação linear conforme o campo magnético aplicado continua a diminuir, o que pode ser considerado que o filme tem uma estrutura de domínio de faixa. A linha vermelha denota a direção da magnetização forte, que é medida ao longo da direção [01-1]. A Figura 2b mostra os loops de histerese da heteroestrutura CFA / PMN-PT sob o campo elétrico E =5 kVcm ⁻¹ . Comparado com o resultado mostrado na Fig. 1a, a direção do eixo fácil gira 90 °, ou seja, está girando da direção [100] a [01-1] [28,29,30]. Conforme mostrado na Fig. 2c, a linha azul coincide com a linha vermelha, e a anisotropia magnética no plano desaparece sob o estado de polarização + 0 kVcm ⁻¹ . O eixo magnético fácil retorna para a direção [100] quando o campo elétrico aplicado continua a diminuir para - 5 kVcm ⁻¹ como mostrado na Fig. 2d. A fim de investigar a mudança do campo de anisotropia magnética com diferentes campos elétricos, a magnetização remanente em diferentes ângulos foi medida como mostrado na Fig. 2e. Nesta medição, a amostra foi girada de 0 ° a 360 ° no plano com o passo de 5 °. A anisotropia magnética no plano é medida na heteroestrutura CFA / PMN-PT. Em - 0 kVcm ⁻¹ , a direção de magnetização fácil da curva de magnetização remanente no plano é ao longo da direção [100]. O valor da magnetização remanente relativa ( M _r / M _s ) é significativamente menor do que 1, o que indica que uma parte do momento magnético não é um arranjo coerente. Com o aumento do campo elétrico para + 2,5 kVcm ⁻¹ , a anisotropia magnética diminui. Ao continuar a aumentar o campo elétrico para + 5 kVcm ⁻¹ , a anisotropia magnética no plano reaparece. Comparado com a curva de magnetização remanescente em - 0 e + 5 kVcm ⁻¹ , o eixo fácil gira 90 °, o que é consistente com o resultado de loops de histerese como mostrado nas Fig. 2a, b. Isso pode ser atribuído ao efeito piezostrain induzido por campo elétrico, e o efeito piezoelétrico do PMN-PT produzirá uma nova anisotropia magnética (anisotropia de estresse H _σ ) na heteroestrutura CFA / PMN-PT. A anisotropia magnética das heteroestruturas CFA / PMN-PT é afetada pela combinação de H _σ e H _k [31].

Com o objetivo de verificar o efeito da piezotração induzido pelo campo elétrico, foi medida a magnetização remanente com o campo elétrico aplicado nas direções [01-1] e [100]. Medimos a mudança de magnetização remanescente varrendo o campo elétrico após remover o campo magnético de saturação 1200 Oe nas direções [100] e [01-1], respectivamente. A magnetização remanente assimétrica tipo borboleta versus campo elétrico aplicado é obtida. Podemos determinar que a remanência da heteroestrutura CFA / PMN-PT é responsiva a um campo elétrico em forma de borboleta; o M - E curvas foram medidas varrendo o campo elétrico de + 10 a - 10 kVcm ⁻¹ na Fig. 3a, c. Essa resposta é simétrica com a curva de variação da tensão com o campo elétrico, o que indica que o efeito da tensão desempenha um papel dominante no controle magnético da amostra. É importante notar que a magnetização residual no estado de polarização remanescente (± 0 kVcm ⁻¹ ) é diferente de + 10 kVcm ⁻¹ demonstrado pelas letras maiúsculas A e E na Fig. 3 e - 10 kVcm ⁻¹ demonstrado por B e F, que é a tensão residual do substrato PMN-PT. O estado de polarização residual é a remanência de 0 kVcm ⁻¹ estado, que é derivado da tensão residual do substrato PMN-PT, e não o mesmo em + 10 e - 10 kVcm ⁻¹ . É consistente com a deformação residual da curva de deformação na Fig. 1c.

Realizamos experimentos sobre a relação entre a remanência no estado de polarização insaturado (± 5 kVcm ⁻¹ ) com o campo elétrico nas direções [100] e [01-1], a fim de refletir o controle não volátil do campo elétrico. Pode-se verificar que a mudança da remanência com o campo elétrico também mostra uma mudança na forma como um loop, e a remanência da amostra mostra um bom não volátil, que é da tensão de polarização remanescente sob o positivo e campos elétricos negativos, como mostrado na Fig. 3b, d. Isso tem uma boa perspectiva para dispositivos de memória não volátil tolerantes ao estresse.

Para a aplicação de memória magnética, a remanência não volátil no campo elétrico pulsado foi alcançada, conforme mostrado na Fig. 4. Campos elétricos positivos e negativos intermitentes de ± 5 ou ± 10 kVcm ⁻¹ são aplicados na amostra nas direções [100] e [01-1]. Em primeiro lugar, o campo magnético é definido para 1200 Oe e reduzido para 0 subsequentemente. Então, o campo elétrico pulsado é primeiro preso a ± 5 kVcm ⁻¹ na direção [100] e reduzido a 0 subsequentemente com os resultados dos dois estados de polarização residual demonstrados pelas letras maiúsculas A e B na Fig. 4a. O caso semelhante para ± 10 kVcm ⁻¹ também foi observado como outros estados de polarização residual C e D na Fig. 4a, que também reflete os estados não voláteis em nossa amostra. Quando os campos elétricos pulsados são aplicados a - 5 ou - 10 kVcm ⁻¹ e reduzido a 0 subsequentemente, podemos ver que a remanência é relativamente grande imediatamente, e quando é aplicada a 5 ou 10 kVcm ⁻¹ e reduzido a 0 subsequentemente, a remanência é significativamente reduzida; este fenômeno e o valor de M _r / M _s são consistentes com os resultados da Fig 3a, b. Realizamos uma medição semelhante na outra direção da amostra e obtivemos resultados semelhantes aos mostrados na Fig. 4b. Pode-se ver que quatro estados magnéticos residuais distintos e estáveis são comutados por dois campos elétricos pulsados. Os quatro estados resistivos de E, F, G e H são gerados pela comutação do campo elétrico pulsado de ± 5 e ± 10 kVcm ⁻¹ e, em seguida, removido instantaneamente na direção [01-1], respectivamente. Em resumo, a remanência de Co ₂ FeAl / PMN-PT heterogêneo é o controle de estresse e, portanto, percebendo a remanência multiestado sob o campo elétrico pulsado, que pode ser usado para armazenamento polimórfico.

Conclusões

Em resumo, as propriedades magnéticas mediadas por campo elétrico não volátil na heteroestrutura CFA / PMN-PT são investigadas em temperatura ambiente. A estrutura do domínio listrado foi obtida pela medição MFM no filme CFA. A anisotropia magnética foi modulada pelo campo elétrico. O resultado medido pelo ângulo de rotação VSM demonstra rotação fácil do eixo magnético não volátil de 90 ° mediada por piezostrain em - 0 e + 5 kVcm ⁻¹ . Além disso, a reversão da magnetização remanente estável não volátil mediada pela piezostrain nas duas direções é observada sob campos elétricos pulsados positivos e negativos, que podem ser usados para armazenamento magnético [32, 33].

Abreviações

CFA:: Co ₂ FeAl
DC:: Corrente direta
FM / FE:: Ferromagnético / ferroelétrico
ME:: Magnetoelétrico
MFM:: Microscopia de força magnética
PMN-PT:: Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ -30% PbTiO ₃
VSM:: Magnetômetro de amostra vibratória

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