[論文レビュー] Domain-resolved room-temperature magneto-electric coupling in manganite-titanate heterostructures

Rajesh V. Chopdekar, M. Buzzi+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2015

Multiferroics and related materials参考文献 39被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、室温下で電場誘発の可逆的かつドメイン分解能を持つ磁電結合が、(La,Sr)MnO₃/(Pb,Mg,Nb,Ti)O₃ヘテロ構造において実証された。6 kV/cm未満の電場パルスを印加することで、マンガン酸化物膜内の歪みが磁気異方性および抵抗率のスイッチングを引き起こし、X-PEEM像像によりドメインスケールでの反転が明確に確認された。歪み工学により磁化反転のエネルギー障壁は70%低減された。

ABSTRACT

We present a model artificial multiferroic system consisting of a (011)-oriented ferroelectric Pb(Mg,Nb,Ti)O$_3$ substrate intimately coupled to a ferromagnetic (La,Sr)MnO$_3$ film through epitaxial strain and converse piezoelectric effects. Electric field pulse sequences of less than 6 kV/cm were shown to induce large reversible and bistable remanent strains in the manganite film. Magnetic hysteresis loops demonstrate that the changes in strain states result in significant changes in magnetic anisotropy from a highly anisotropic two-fold magnetic symmetry to a more isotropic one. Such changes in magnetic anisotropy are reversible upon multiple cycles and are stable at zero applied electric field, and are accompanied by large changes in resistivity. We directly image the change between the two-fold and isotropic magnetic configurations at the scale of a single ferromagnetic domain using X-ray photoemission electron microscopy as a function of applied electric field pulses. Imaging the domain reversal process as a function of electric field shows that the energy barrier for magnetization reversal is drastically lowered, by up to 70% as determined from free energy calculations, through the anisotropic strain change generated by the ferroelectric substrate. Thus, an electric field pulse can be used to 'set' and 'reset' the magnetic anisotropy orientation and resistive state in the film, as well as lowering the coercive field required to reverse magnetization, showing a promising route towards electric-field manipulation of multifunctional nanostructures at room temperature.

研究の動機と目的

• 室温下で電場駆動による磁気的および抵抗的状態の制御を実現すること。
• 電場誘発歪みとナノスケールでの磁気異方性の可逆的変化との直接的関連を確立すること。
• モデル的人工 multiferroic 系において、電場パルスを用いた磁化配向のドメイン分解能制御を実証すること。
• 歪み工学による磁化反転エネルギー障壁の低減を定量すること。

提案手法

• 強い歪み結合を可能にするために、(011)面指向のPb(Mg,Nb,Ti)O₃基板上にエpitaxial成長した(La,Sr)MnO₃膜を用いる。
• 6 kV/cm未満の電場パルスを印加し、フェロエレクトリック基板における逆ペイオウズ効果に起因する歪みを誘発する。
• X線光電子顕微鏡（X-PEEM）を用いて、単一ドメインレベルでの磁気ドメイン構造を直接画像化する。
• 磁気ヒステリシスループおよび抵抗率の変化を測定し、歪みと磁気異方性および電子状態の相関を分析する。
• 自由エネルギー計算を用いて、歪み誘発異方性変化に起因する磁化反転エネルギー障壁の低減を定量する。
• サイクル電場パルスを適用し、歪み誘発磁気的および抵抗的状態の可逆性および安定性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6 kV/cm未満の電場パルスは、室温下でマンガン酸化物膜に可逆的かつ二安定な歪みを誘発できるか？
• RQ2 フェロエレクトリック基板からの歪みは、フェロ磁性マンガン酸化物膜の磁気異方性にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 多フェロ酸化物ヘテロ構造において、歪み工学により磁化反転エネルギー障壁を顕著に低減できるか？
• RQ4 ゼロ電場下でも、電場誘発歪みによる磁気異方性および抵抗率の変化は可逆的かつ安定的か？
• RQ5 X-PEEMは、電場パルス応答におけるドメインスケールの磁気スイッチングダイナミクスを解像できるか？

主な発見

• 6 kV/cm未満の電場パルスにより、(La,Sr)MnO₃膜に大きな可逆的かつ二安定な残留歪みが誘発された。
• 歪みの印加に伴い、磁気異方性が二重対称性からより等方的対称性へと変化し、複数サイクルにわたる可逆的スイッチングが確認された。
• X-PEEM像像により、印加電場の関数として単一ドメインスケールでの磁気ドメイン構造の反転が直接可視化された。
• 自由エネルギー計算により、歪み誘発異方性変化に起因して磁化反転エネルギー障壁が最大70%低減されたことが確認された。
• 抵抗率の変化は顕著であり、歪み誘発磁気異方性遷移と相関しており、強い磁電結合が存在することを示している。
• 本系は、室温下で磁気異方性および抵抗的状態の安定的かつ非揮発的スイッチングを示し、多機能ナノ構造の電場制御が可能となった。