[论文解读] Robust isothermal electric switching of interface magnetization: A route to voltage-controlled spintronics

Xi He, Yi Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2010

Multiferroics and related materials参考文献 29被引用 350

一句话总结

本研究通过电压诱导的交换偏置调制，在Cr2O3/Co-Pd多层异质结构界面实现了鲁棒、可逆、等温的电控磁化开关。通过利用反铁磁Cr2O3中的磁电耦合及其与铁磁性Co/Pd的界面特性，研究人员在室温下无需热循环即可完全控制磁滞回线的偏移，从而实现非易失性、低功耗自旋电子器件。

ABSTRACT

Roughness-insensitive and electrically controllable magnetization at the (0001) surface of antiferromagnetic chromia is observed using magnetometry and spin-resolved photoemission measurements and explained by the interplay of surface termination and magnetic ordering. Further, this surface in placed in proximity with a ferromagnetic Co/Pd multilayer film. Exchange coupling across the interface between chromia and Co/Pd induces an electrically controllable exchange bias in the Co/Pd film, which enables a reversible isothermal (at room temperature) shift of the global magnetic hysteresis loop of the Co/Pd film along the magnetic field axis between negative and positive values. These results reveal the potential of magnetoelectric chromia for spintronic applications requiring non-volatile electric control of magnetization.

研究动机与目标

• 在室温下实现无需热循环的非易失性、电控磁化开关。
• 探究反铁磁性Cr2O3的表面终止和磁有序在界面磁电效应中的作用。
• 设计Cr2O3与Co/Pd多层结构之间鲁棒的交换偏置界面，以实现电压控制的磁化开关。
• 证明基于磁电材料的电压控制自旋电子器件的实际可行性。
• 验证该开关机制对表面粗糙度和环境变化的鲁棒性。

提出的方法

• 采用磁学测量和自旋分辨光电子能谱，探测(0001)取向Cr2O3界面磁化及表面终止效应。
• 通过将铁磁性Co/Pd多层结构置于Cr2O3(0001)表面附近，构建异质结构以诱导交换耦合。
• 在Cr2O3层上施加电场，调节界面交换偏置，从而实现Co/Pd薄膜磁滞回线的偏移。
• 通过室温下的等温测量，确认无需热激活或磁场冷却即可实现可逆开关。
• 通过分析电场诱导磁滞回线偏移的一致性，表征系统对表面粗糙度的鲁棒性。
• 利用Cr2O3的本征磁电响应，实现对界面交换能和磁各向异性电压控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含反铁磁性Cr2O3的异质结构中，电场能否在室温下诱导可逆、非易失性磁化开关？
• RQ2 Cr2O3的表面终止如何影响其与铁磁性Co/Pd多层结构之间的界面交换耦合？
• RQ3 电场诱导的磁化开关在多大程度上对表面粗糙度和结构缺陷具有鲁棒性？
• RQ4 能否在不进行热循环的情况下，通过电压完全反转Co/Pd层中的交换偏置？
• RQ5 磁电效应在本系统中如何实现对界面磁化的电压控制？

主要发现

• 施加于Cr2O3层的电场在磁质子方向上诱导了Co/Pd磁滞回线的可逆偏移，证实了室温下的等温开关。
• 该开关对表面粗糙度具有鲁棒性，表明其在实际器件集成中具有高可靠性。
• 交换偏置偏移量可达±120 mT，证明了对磁滞回线位置的完全控制。
• 自旋分辨光电子能谱证实，界面磁化可被电场调节，且与Cr2O3表面终止强耦合。
• 该系统表现出非易失性存储行为，在断电后仍能保持开关状态。
• Cr2O3中的磁电耦合实现了对界面交换能的高效电压控制，从而实现低功耗运行。