外延铁磁/铁电异质结中电场调控磁性的研究

摘要

非易失性、高读写速度、高存储密度、低功耗和微型化是未来存储器发展的主要趋势，其中磁性随机存储器是目前最有希望实现这一目标的存储器。在磁信息读取方面，基于隧穿磁电阻效应的磁性隧道结已成功应用于存储设备且表现出非常明显的优势。在磁信息写入方面，通电导线产生的磁场、自旋转矩效应和自旋-轨道转矩效应都属于较强的电流强度通过相关效应来实现磁矩的可控翻转，只有施加的电流密度大于临界电流密度时才能改变磁化强度方向，这导致器件的能耗比较高。相比较而言，利用电场调控磁性的方法来实现磁化翻转显著降低了焦耳热的影响，可实现低功耗条件下的高密度信息存储。电场调控磁性的研究主要集中在同时拥有铁电性、铁磁性和铁弹性的复合多铁异质结构及其磁电耦合效应。把具有磁致伸缩效应的铁磁材料和具有压电效应的铁电材料耦合在一起形成铁磁/铁电异质结，通过逆磁电耦合效应可实现异质结中铁磁层磁化强度的调控。调控模式包括界面电荷调制、交换偏置调制和应力调制，其中常温下的应力调制操作简单且调控效果好，近年来受到了广泛的关注。 目前在铁磁/铁电异质结利用磁电耦合效应调控磁性的研究中，通常选择具有各向同性的CoFeB或者单轴各向异性的FeNi，FeCo，Co等铁磁性材料来制备多铁异质结。在电场作用下，通过铁电层中极化方向的改变来实现相邻铁磁层磁化强度的易失或非易失性翻转。然而对于具有磁晶各向异性的外延薄膜的磁性及电场调控磁性方面的研究还很少，主要问题是应力诱导的单轴磁各向异性太小不能克服薄膜原始的磁晶各向异性在难轴方向的势垒。在本论文中，我们首先研究了外延铁磁薄膜的结构、静态磁性、动态磁性的关系，以及外磁场作用下的磁矩翻转机制。在此基础上，我们利用具有压电记忆效应的[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]x-[PbTiO3]1-x (PMN-PT)作为异质结的铁电层，利用具有合适磁晶各向异性能的外延 FeSi 磁性薄膜作为异质结的铁磁层研究电场对磁化强度翻转和磁各向异性的可逆、非易失性调控。主要的研究内容如下： (1) 利用射频磁控溅射方法在(001)MgO 单晶衬底上制备了 Co61Fe26Si13 (CoFeSi)、Fe86Si14和Fe80Si20 (FeSi)薄膜。研究了不同退火温度对CoFeSi薄膜的结晶性、磁各向异性、动态高频磁性的影响。利用X射线衍射和透射电子显微镜表征了FeSi薄膜在(001)MgO衬 底上的外延关系：(001)[100]MgO//(001)[110]FeSi。静态磁性的测试结果表明FeSi薄膜的磁性具有面内四重对称性，这也表明具有立方磁晶各向异性FeSi薄膜的获得。利用磁光克尔效应研究了外延FeSi薄膜在面内不同方向施加磁场时的磁化过程。高频磁性的测试结果表明在Fe86Si14/MgO(001)薄膜中，面内任意方向的自然共振频率约为8.0 GHz，弥补了传统单轴各向异性薄膜在特定方向自然共振现象消失的缺陷。 (2) 利用射频磁控溅射方法在(001)PMN-0.32PT 单晶衬底上制备了外延 Fe86Si14薄膜，在 Fe86Si14/(001)PMN-0.32PT 异质结中，研究发现了负向电场作用后的四重磁各向异性到单轴磁各向异性主导的非易失性、不可逆转变。根据理论模拟的结果，我们改变了铁磁层的成分和铁电衬底的选择，在外延Fe80Si20/(001)PMN-0.3PT异质结中，通过角度依赖的面内剩磁曲线测试，研究了在±6 kV/cm的电场作用下单轴磁各向异性主导下的可逆、非易失性的90o磁化强度翻转。利用纵向磁光克尔效应测量其在不同电场下的磁滞回线，进一步证明了磁化翻转的非易失性以及磁晶各向异性和单轴磁各向异性的竞争关系。 (3) 通过计算模拟了外延FeSi/(011)PMN-PT异质结中四重磁各向异性和单轴磁各向异性之间的可逆、非易失性翻转的可行性。在300 oC退火之后的外延Fe80Si20/(011)PMN-0.3PT异质结中，静态磁性测量表明可通过施加饱和电场和逆向矫顽电场的方法实现四重磁各向异性和单轴磁各向异性的可逆、非易失性转变，定性的与理论模拟结果相一致。同时在辅助磁场的作用下实现了电场调控磁化强度的可逆、非易失性、稳定的90o和180o翻转。最后在实验上证明了铁电衬底的选择、铁磁薄膜的结晶性对 Fe80Si20/(011)PMN-PT 异质结中电场调控磁性的重要性。

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