[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究在室温下实现了 (La,Sr)MnO₃/(Pb,Mg,Nb,Ti)O₃ 异质结中由电场诱导的、可逆的、且具有畴分辨特性的磁电耦合。通过施加低于 6 kV/cm 的电场脉冲，锰氧化物薄膜中的应变诱导了可切换的磁各向异性和电阻率变化，X-PEEM 成像证实了畴尺度的反转，且通过应变工程使磁化反转能垒降低了 70%。

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.

研究动机与目标

• 在室温下实现多铁异质结中磁性和电阻态的电场驱动调控。
• 建立电场诱导应变与纳米尺度磁各向异性可逆变化之间的直接关联。
• 在一种模型人工多铁体系中，展示利用电脉冲对磁化方向实现畴分辨控制。
• 量化通过应变工程降低磁化反转能垒的程度。

提出的方法

• 在 (011) 取向的 Pb(Mg,Nb,Ti)O₃ 基底上外延生长 (La,Sr)MnO₃ 薄膜，以实现强应变耦合。
• 施加低于 6 kV/cm 的电场脉冲，以在铁电基底中诱导逆压电应变。
• 利用 X 射线光电子发射显微镜（X-PEEM）直接在单畴尺度上成像磁畴结构。
• 测量磁滞回线和电阻率变化，以关联应变与磁各向异性和电子态的关系。
• 通过自由能计算量化因应变诱导各向异性变化而引起的磁化反转能垒降低。
• 进行循环电场脉冲以验证应变诱导磁性和电阻态的可逆性与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，电场脉冲能否在锰氧化物薄膜中诱导出可逆的、双稳态的应变？
• RQ2 铁电基底产生的应变在多大程度上改变了铁磁性锰氧化物薄膜的磁各向异性？
• RQ3 在多铁异质结中，是否可通过应变工程显著降低磁化反转能垒？
• RQ4 在零场条件下，电场诱导的磁各向异性和电阻率变化是否可逆且稳定？
• RQ5 X-PEEM 能否分辨电场脉冲作用下磁畴尺度的磁化开关动力学？

主要发现

• 低于 6 kV/cm 的电场脉冲在 (La,Sr)MnO₃ 薄膜中诱导出大范围、可逆且双稳态的残余应变。
• 应变施加后，磁各向异性从两重对称性转变为更各向同性的对称性，且在多次循环中确认了可逆切换。
• X-PEEM 成像直接可视化了磁畴结构在单畴尺度上随外加电场变化的反转过程。
• 自由能计算证实，由于应变诱导的各向异性变化，磁化反转能垒最高可降低 70%。
• 电阻率变化显著，并与应变诱导的磁各向异性转变相关，表明存在强烈的磁电耦合。
• 该体系在室温下表现出磁各向异性和电阻态的稳定、非易失性切换，实现了对多功能纳米结构的电场调控。