IrMn/CoFe/Ru/CoFe/PMN-PT多铁异质结构中磁化反转的全电压控制

《Journal of Alloys and Compounds》：Full voltage control of magnetization reversal in IrMn/CoFe/Ru/CoFe/PMN-PT multiferroic heterostructures

电压控制实现多铁异质结构中磁化反转，通过IrMn/CoFe/Ru/CoFe/Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3异质结构，利用应变介导磁电耦合效应调控交换耦合，无需磁场即可实现正负磁态可逆切换，为低功耗存储器件设计提供新方案。

　　

刘梦丽|沈建宇|王立国|张莉|周航|刘静岩

河南理工大学电气工程与自动化学院，河南省煤矿设备智能检测与控制重点实验室，焦作市，454003，中国

摘要

电压控制磁性对于设计高能效的自旋电子器件具有重要意义。本文通过理论模拟和实验测量，在IrMn/CoFe/Ru/CoFe/Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.7Ti_0.3O₃ (PMN-PT)多铁性异质结构中实现了完全电压控制的磁化反转。合成的反铁磁体CoFe/Ru/CoFe层之间具有反铁磁（AFM）耦合。此外，这两层CoFe的厚度不同，在零磁场下表现出不同的磁化强度。基于应变介导的磁电耦合效应，CoFe自由层的磁矩被旋转了90°。相反，CoFe固定层被AFM层IrMn沿初始方向固定。通过电压可以调节层间交换耦合，从而在零磁场下分别获得正负磁态。这种磁态的可逆且可重复切换无需外部磁场的帮助。此外，通过磁场脉冲实现了多个磁态的切换。这项工作为设计超低功耗和高密度自旋电子存储器提供了有价值的参考。

在IrMn/CoFe/Ru/CoFe/Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.7Ti_0.3O₃ (PMN-PT)多铁性异质结构中，通过理论模拟和实验测量实现了完全电压控制的磁化反转。合成的反铁磁体CoFe/Ru/CoFe层之间具有反铁磁（AFM）耦合。这两层CoFe的厚度不同。基于应变介导的磁电耦合效应，可以通过电压调节CoFe自由层的磁矩和层间交换耦合，从而在零磁场下分别获得正负磁态。这种磁态的可逆且可重复切换无需外部磁场的帮助。这项工作为设计超低功耗和高密度自旋电子存储器提供了有价值的参考。

PMN-PT/CoFe/Ru/CoFe/IrMn/Ta异质结构的示意图。(b) 在t₂= 4nm时，异质结构的电压控制M-H曲线。

引言

自旋电子器件，如磁阻随机存取存储器（MRAM），由于其固有的优势（如高密度、快速性和低功耗）而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。然而，它们也存在一些局限性，包括过热问题和高能量损耗，这阻碍了下一代信息存储技术的发展。因此，通过应变介导的磁电（ME）耦合在铁磁（FM）/铁电（FE）异质结构中提出了一种有前景的方法[5]、[6]、[7]、[8]。FM层的磁性可以通过电场（E场）而不是磁场或自旋极化电流来操控，这为开发能效高的自旋电子器件提供了非常有希望的途径。同时，在单层FM/FE[9]、[10]、自旋阀（SV）/FE以及磁隧道结（MTJ）/FE异质结构[11]、[12]、[13]、[14]中可以实现E场控制的磁化旋转和磁阻（MR）调制。然而，这种MR的可调性有限，因为磁矩在E场的影响下只能旋转90°，且仅通过应变介导的ME效应实现。E场调控的180°磁化反转是实现高能效MRAM器件的关键要素。因此，已经提出了多种理论和实验方法来实现180°磁化反转，这些方法包括利用磁场[15]、[16]或通过工程化双重应变场[17]、[18]、[19]、[20]、控制交换偏压[21]、[22]、[23]，以及利用纳米磁体的各向异性[24]、[25]、[26]。但这些方法使得样品制备复杂，或者可能无法产生MRAM所需的相同结构。因此，继续探索完全电压控制的180°磁化反转是必要的，以满足能效高的自旋电子器件的主要要求。

合成的反铁磁体（SAFs）由两层FM层组成，中间夹有一层薄的非磁性（NM）层，这在设计下一代自旋电子应用方面具有巨大潜力，这是新兴自旋电子学的前沿[27]、[28]。这两层FM层通过NM层中的游离电子间接耦合[29]、[30]、[31]、[32]。在SAF结构中，两层FM层的磁化配置取决于层间交换耦合（IEC）常数J[33]、[34]、[35]的符号，分别表现出FM（平行）或反铁磁（AFM）（反平行）磁化状态。最近，在SAF/FE异质结构中操纵IEC方面取得了显著进展[36]、[37]、[38]、[39]。实现了E场诱导的FM和AFM耦合之间的切换，以及相应的单环和双环磁化曲线。这为电场调控IEC提供了有力证据。然而，在SAF/FE系统[36]、[38]、[39]中，E场控制的磁化切换无法实现正负反转，或者仍然需要磁场的支持。这限制了超低功耗AFM自旋电子器件的实际应用。

在这里，我们报告了在IrMn/CoFe/Ru/CoFe/Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.7Ti_0.3O₃ (PMN-PT)多铁性异质结构中实现的全电压控制磁化反转。在PMN-PT基底上制备了CoFe/Ru/CoFe的SAF，选择了不同厚度的两层CoFe。因此，在零磁场下获得了负磁化。当施加电压时，CoFe自由层的磁矩通过ME效应从PMN-PT基底的[001]方向旋转到[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]方向。CoFe固定层被AFM IrMn层沿[001]方向固定。IEC被调节为弱AFM耦合。因此，在零磁场下获得了正磁化。通过进行模拟和实验研究，实现了无需外部磁场的正负磁态的调制，即实现了磁化反转。这项工作克服了依赖磁场的存储操作的基本限制，展示了在能效高的AFM自旋电子器件方面的显著进展。

实验

实验

CoFe (12)/Ru (1)/CoFe (4-8)/IrMn (15)/Ta (5) (nm)结构是在(110)取向的FE单晶PMN-PT基底上通过磁控溅射系统在室温下生长的。基础真空度达到了6×10^?8 Torr。在沉积过程中，CoFe、Ru、IrMn和Ta层的溅射功率分别为50 W。Ar压力为3 mTorr。一对磁铁产生了300 Oe的恒定磁场，该磁场与[001]方向平行。

结果与讨论

本研究中使用的PMN-PT/FM₁/NM/FM₂/AFM多铁性异质结构的示意图如图1所示。FM层的初始易磁轴和固定方向（PD）沿着PMN-PT基底的[001]方向。角度${\theta }_1$和${\theta }_2$分别是FM₁和FM₂相对于[001]方向的磁矩。测量磁场沿[001]方向施加。

在施加电场后，有效实现了单轴磁化

结论

总之，我们报告了在无磁场条件下基于PMN-PT/CoFe/Ru/CoFe/IrMn多铁性异质结构实现的全电压调控磁化反转。SAF中的两层CoFe具有不同的厚度，其中一层CoFe被IrMn层固定。通过ME效应，CoFe自由层的磁化方向旋转到[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]方向，而CoFe固定层则沿[001]方向固定。

CRediT作者贡献声明

周航：验证、研究。 刘静岩：方法论、研究。 张莉：可视化、项目管理、资金获取。 沈建宇：撰写——初稿、软件、研究。 王立国：资源、项目管理、研究、资金获取。 刘梦丽：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河南省自然科学基金（项目编号242300420685和242300420282）、河南省高校基本科研业务费（项目编号NSFRF240712和NSFRF240818）、河南省科技计划（项目编号252102211107和242102241027）、河南省博士后科研基金以及河南理工大学博士科研基金（项目编号B2024-22）的支持。