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中国科大实现磁离子效应诱导的百纳秒快速电控磁性

研究背景

随着信息时代的发展，磁存储已成为当今最重要的非易失、大容量信息存储技术之一，而新型自旋电子学磁存储技术的发展也受到人们的广泛关注。如何更快速、低能耗地实现对磁性（磁矩、矫顽磁场、各向异性等）的电调控，是相关研究领域的核心问题之一。例如，在磁硬盘中，通过改变磁存储介质的矫顽磁场，可以实现在高矫顽磁场状态下进行数据的长时间保存和稳定读取，而低矫顽磁场状态则利于数据的低能耗写入，有效提高磁存储器的读写性能。但是，传统的通过电流（>106 A/cm2，电流磁效应或自旋转移矩）来调控磁性的方式使得磁存储器件在小型化和节能化方面有着难以逾越的障碍。而寻求通过电场对磁性的直接调控将有利于解决这方面的困难。近期，在含可电驱动迁移离子（如O2−、H+、Li+)材料、磁性金属构成的离子型磁电耦合异质结器件中，人们利用电场驱动离子迁移促使磁性金属发生氧化还原反应，进而获得了电场对磁性的调控。然而，过去报道发现，除了难以实现电场驱动下离子迁移的精确调控之外，还需要长时间施加电场（达到几十微秒甚至数个小时）来驱动离子迁移，这些极大地限制了其应用潜力。因此，需要进一步优化材料体系和设计调控机制，以期获得室温下稳定可控的快速磁离子效应。

成果简介

基于铁电异质结材料中铁电翻转时界面氧离子的迁移特性，并结合离子型磁电耦合器件的物理机理，研究人员设计了Ta/Co/BiFeO3/SrRuO3多铁异质结，并利用稳定可控且超快的铁电极化翻转特性，获得了快速的磁离子效应诱导的电控磁效应。具体结果包括：

1）通过BiFeO3铁电翻转驱动界面氧离子迁移，获得了对异质结的磁矩、矫顽磁场、交换偏置场以及结电阻等诸多磁、电特性的可逆调控。并通过同步辐射X射线吸收光谱实验证明了界面存在受铁电极化调控的CoOx/Co氧化还原效应，从而系统分析了其影响磁、电性能的机理。

2）通过调控电压脉冲的幅值、宽度，实现了连续、精确的Co薄膜矫顽磁场的调控，且不同矫顽场状态的保持特性优于非铁电调控的磁离子型磁电耦合器件。而且，Co矫顽磁场的电压控制动力学表现出与BiFeO3的铁电翻转动力学非常相似的特性，说明了稳定、可控的BiFeO3铁电极化翻转的重要性。

3）矫顽磁场的调控速度可以快到100 ns，是迄今已报道的磁离子型磁电耦合器件（≥50 μs）中速度最快的。而在相近的操作电压和时间尺度（数十至数百微秒）下，矫顽磁场的相对变化量也超过了其他已报道磁离子型磁电耦合器件，例如，在施加±20 V/100 μs和±10 V/100 μs的脉冲电压循环时，矫顽磁场的变化分别达到了81.8%和69.6%。

上述基于Ta/Co/BiFeO3/SrRuO3多铁异质结的磁离子型磁电耦合器件具有非易失、可重复的调控特性，特别是具有快速、连续可精确调控的优势，满足了高度可控和低功耗电控磁器件的需求，展现了其在构建高性能多功能自旋电子器件方面的重要潜力。

图文导读

图1. （a）Ta/Co/BiFeO3/SrRuO3异质结的结构示意图和测试示意图；（b）铁电极化随电压的变化曲线；（c）使用压电力显微镜（PFM）测得的相位（黑色曲线）和强度（蓝色曲线）随电压的变化曲线；（d）PFM相位图像。

图2. （a）异质结处于初始状态和分别施加+10 V/1ms以及-10 V/1ms的脉冲电压后的磁滞回线。（b）矫顽磁场（Hc）的保持特性。（c）Hc和结电阻R的循环特性。（d）异质结的Hc和R随脉冲电压幅值的变化曲线。

图3. 当异质结分别处于（a）初始状态、（b）Pr+状态以及（c）Pr-状态时，加场冷却后在不同温度下测量得到的磁滞回线。异质结的（d）Hc，（e）磁矩和（f）交换偏置场|HEB|随温度的变化曲线。

图4. 异质结分别处于（a）初始状态、（b）Pr+状态和（c）Pr-状态时，使用同步辐射X射线吸收光谱技术测量得到的室温下Co元素L3吸收边谱线。（d）拟合计算得到不同极化状态下Co元素不同化合价态化合物的含量比。（e）Pr+状态和（f）Pr-状态下氧离子迁移以及Co和CoOx层厚度变化的示意图。（g）Co薄膜Hc和饱和磁化强度Ms随厚度的变化曲线。

图5. 施加不同幅值正向脉冲电压时，（a）翻转的铁电剩余极化ΔPr随脉冲宽度的变化关系，（b）Hc随脉冲宽度的变化曲线，（c）Hc及（d）Co层有效厚度deff随ΔPr的变化关系。

图6. （a）施加不同脉冲宽度的±20V脉冲电压时，Co薄膜Hc的循环特性。（b）脉冲电压幅值分别为±20V和±10V时，ΔHc随脉冲宽度的变化曲线。

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