[논문 리뷰] Domain-resolved room-temperature magneto-electric coupling in manganite-titanate heterostructures

Rajesh V. Chopdekar, M. Buzzi외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 15.

Multiferroics and related materials참고 문헌 39인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 전기장 유도, 가역적이고 도메인 해상도를 갖춘 자화-전기 결합을 (La,Sr)MnO₃/(Pb,Mg,Nb,Ti)O₃ 이중구조에서 입증한다. 6 kV/cm 이하의 전기장 펄스를 적용함으로써 망간산염 필름에서 발생하는 변형이 스위치 가능한 자화 이방성과 저항도를 유도하며, X-PEEM 영상은 도메인 척도의 반전을 직접 확인하고, 변형 공학을 통해 자화 반전 에너지 장벽을 70% 감소시킴을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 희토류 산화물 이중구조에서 실온에서 전기장에 의한 자화 및 저항 상태의 제어를 달성하기 위해.
• 전기장에 의해 유도된 변형과 나노스케일에서의 자화 이방성 변화 사이의 직접적인 연관성을 확립하기 위해.
• 모델 인공 다중철성 시스템에서 전기 펄스를 이용한 자화 방향의 도메인 해상도 제어를 입증하기 위해.
• 변형 공학을 통해 자화 반전 에너지 장벽의 감소를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 강한 변형 결합을 가능하게 하기 위해 (011)-방향의 Pb(Mg,Nb,Ti)O₃ 기반재에 에피택셜 성장된 (La,Sr)MnO₃ 필름을 제작한다.
• 6 kV/cm 이하의 전기장 펄스를 적용하여 반도체 기반재에서의 역피에조전기적 변형을 유도한다.
• 단일 도메인 수준에서 자성 도메인 구조를 직접 영상화하기 위해 X선 광전자 현미경(X-PEEM)을 사용한다.
• 자화 히스테리시스 루프 및 저항도 변화 측정을 통해 변형과 자화 이방성 및 전자 상태의 상관관계를 분석한다.
• 자화 반전 에너지 장벽의 감소를 정량화하기 위해 자유 에너지 계산을 수행한다.
• 반복적인 전기장 펄스를 적용하여 변형에 의해 유도된 자성 및 저항 상태의 가역성과 안정성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6 kV/cm 이하의 전기장 펄스가 실온에서 망간산염 필름에서 가역적이고 이중 안정성 있는 잔류 변형을 유도할 수 있는가?
• RQ2 철성 물질 기반재에서 유도된 변형이 자성 망간산염 필름의 자화 이방성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 다중철성 이중구조에서 변형 공학을 통해 자화 반전 에너지 장벽을 크게 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 전기장에 의해 유도된 자화 이방성 및 저항도 변화는 영구적으로 안정된 상태에서 영구적으로 가역적인가?
• RQ5 X-PEEM은 전기장 펄스에 대한 반응으로 도메인 척도의 자성 스위칭 동역학을 해상도로 분석할 수 있는가?

주요 결과

• 6 kV/cm 이하의 전기장 펄스는 (La,Sr)MnO₃ 필름에서 큰, 가역적이고 이중 안정성 있는 잔류 변형을 유도한다.
• 변형 적용 시 자화 이방성이 이중 대칭에서 더 이방성의 정도가 낮은 대칭으로 변화하며, 수차례 사이클을 거친 후에도 가역적 스위칭이 확인된다.
• X-PEEM 영상은 적용된 전기장의 함수로 단일 도메인 척도에서 자성 도메인 구조의 반전을 직접 시각화한다.
• 자유 에너지 계산을 통해 변형에 의해 유도된 이방성 변화로 인해 자화 반전 에너지 장벽이 최대 70% 감소함을 확인하였다.
• 저항도 변화는 변형에 의해 유도된 자화 이방성 전이와 강하게 상관되며, 강한 자화-전기 결합을 나타낸다.
• 이 시스템은 실온에서 자화 이방성 및 저항 상태의 안정적이고 비버니셔블 스위칭을 보이며, 다기능 나노소재의 전기장 제어를 가능하게 한다.