Controle por Campo Elétrico do Magnetismo Não-Volátil em Heteroestruturas Co2FeAl/PMN-PT à Temperatura Ambiente

Resumo

Demonstramos que uma liga Heusler meia-metálica, Co₂FeAl, depositada em substrato piezoelétrico Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–PbTiO₃ (PMN-PT), exibe mudanças não-voláteis, induzidas por campo elétrico, em suas propriedades magnéticas à temperatura ambiente. Aplicando campos elétricos pulsados ao longo dos eixos cristalinos [100] e [01–1], alcançamos dois estados estáveis, gigantes, de magnetização remanescente que persistem após remoção do campo. O efeito origina-se da grande piezodeformação gerada na camada PMN-PT, oferecendo via viável para dispositivos de memória magnetoelétrica.

Introdução

A crescente demanda por armazenamento de informação de alta velocidade, baixo consumo e não-volátil estimulou interesse no acoplamento magnetoelétrico (ME) dentro de heteroestruturas ferromagnéticas/ferroelétricas (FM/FE). Acoplamento ME surge principalmente através de três mecanismos: piezodeformação, carga e viés de troca. O efeito piezodeformação, em particular, permite que campo elétrico aplicado gere deformação na camada ferroelétrica, que por sua vez modula a anisotropia magnética de um ferromagneto adjacente. PMN-PT, com grande coeficiente piezoelétrico d₃₃, é amplamente empregado como componente ferroelétrico porque sua deformação pode ser eficientemente transferida ao filme magnético. Co₂FeAl (CFA), liga Heusler meia-metálica, é escolha FM atraente devido ao seu baixo amortecimento, alta polarização de spin e temperatura de Curie acima de 1000 K, tornando-o ideal para aplicações spintrônicas. Trabalhos prévios mostraram que deformação induzida por campo elétrico pode rotacionar o eixo fácil magnético em bicamadas FM/FE, mas demonstração clara de controle não-volátil, reversível, da magnetização à temperatura ambiente permanecia elusiva. Neste estudo, preenchemos essa lacuna mostrando que heteroestrutura CFA/PMN-PT (011) retém dois distintos estados de magnetização remanescente após remoção do campo elétrico, marca registrada de operação não-volátil adequada para tecnologias de memória.

Métodos

A heteroestrutura consiste de filme de CFA 40 nm depositado por sputtering em substrato PMN-PT orientado (011). Sputtering magnétron DC realizado a 600 °C sob pressão de Ar 0,1 Pa (10 SCCM). Pressão base 2 × 10⁻⁵ Pa. Eletrodos de Pt (10 nm topo, 50 nm fundo) depositados de alvo 2 mm. Fios Cu ligados aos eletrodos com adesivo condutivo. Propriedades magnéticas estáticas medidas com magnetômetro de amostra vibratória (VSM, MicroSense EV9) enquanto tensão DC de fonte Keithley 2410 aplicada à camada piezoelétrica. Imagens de domínios magnéticos adquiridas por microscopia de força magnética (MFM) usando sistema Asylum Research© MFP-3D com pontas magnéticas suaves magnetizadas perpendicular ao plano da amostra. Todas medições realizadas à temperatura ambiente.

Resultados e Discussão

A heteroestrutura CFA/PMN-PT é ilustrada na Fig. 1a, com sistema de coordenadas no plano na Fig. 1b. O campo de deformação efetivo induzido por campo elétrico (Hσ) é ortogonal ao campo de anisotropia magnética (Hk). Definimos direção [100] como 0° e [01–1] como 90° (ver Fig. 1b). Laços de polarização-campo elétrico (P-E, 1 Hz) e deformação-campo elétrico (S-E) medidos com medidores ferroelétricos e de deformação são apresentados na Fig. 1c, revelando polarização de saturação ≈25 µC cm⁻² e campo coercitivo ≈100 V (2,5 kV cm⁻¹). Imagem MFM após remoção de campo 1000 Oe (Fig. 1d) mostra padrão de domínios listrados, indicativo de forte anisotropia magnética perpendicular. Laços de histerese medidos ao longo de [100] e [01–1] sob campos elétricos de ±0 e ±5 kV cm⁻¹ (Fig. 2a) confirmam clara anisotropia no plano. O eixo fácil situa-se ao longo de [100] no estado de polarização remanescente (−0 kV cm⁻¹), enquanto rotação de 90° ocorre quando substrato é polarizado a +5 kV cm⁻¹ (Fig. 2b). A anisotropia desaparece no estado +0 kV cm⁻¹ (Fig. 2c) e reaparece ao longo de [100] quando campo é comutado para –5 kV cm⁻¹ (Fig. 2d). Medidas VSM rotacionais (Fig. 2e) revelam que a magnetização remanescente relativa (Mr/Ms) segue dependência senoidal no ângulo azimutal, com eixo fácil rotacionando 90° conforme campo elétrico varia. A dependência de campo elétrico da magnetização remanescente foi examinada varrendo E de +10 a –10 kV cm⁻¹ após desmagnetizar a amostra (Fig. 3a,c). As curvas Mr/Ms em forma de borboleta espelham comportamento deformação-E, confirmando que deformação domina controle de magnetização. Magnetização residual no estado de polarização remanescente (±0 kV cm⁻¹) difere daquela após ±10 kV cm⁻¹, refletindo tensão residual intrínseca do substrato PMN-PT. Para demonstrar controle não-volátil, campos elétricos pulsados de ±5 ou ±10 kV cm⁻¹ foram aplicados enquanto amostra era primeiro saturada a 1200 Oe e depois levada a campo zero (Fig. 4). Os valores resultantes de Mr/Ms (rotulados A–H) mostram quatro estados distintos, estáveis, que persistem após remoção do pulso, tanto ao longo de [100] quanto [01–1]. Esse comportamento multiestado ilustra o potencial de controle mediado por piezodeformação para dispositivos de memória polimórficos.

Conclusões

Mostramos que heteroestrutura CFA/PMN-PT exibe modulação não-volátil, induzida por campo elétrico, de anisotropia magnética e magnetização remanescente à temperatura ambiente. A estrutura de domínios listrados observada por MFM e rotação de 90° do eixo fácil sob ±5 kV cm⁻¹ confirmam controle mediado por piezodeformação. Além disso, campos elétricos pulsados geram quatro estados remanescentes estáveis, oferecendo rota para dispositivos de memória magnetoelétrica multinível.

Abreviações

CFA

Co₂FeAl

DC

Corrente contínua

FM/FE

Ferromagnético/ferroelétrico

ME

Magnetoelétrico

MFM

Microscopia de força magnética

PMN-PT

Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–30%PbTiO₃

VSM

Magnetômetro de amostra vibratória