ハーフメタリック合金の電界調整不揮発性磁性Co2FeAl / Pb（Mg1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3ヘテロ構造

背景

情報技術の急速な発展に伴い、近年、応用機器における高速、低消費電力、非揮発性に対する需要の高まりが注目されています。ニーズを満たすことを目的として、強磁性/強誘電（FM / FE）マルチフェロイックヘテロ構造における磁電（ME）結合を介した電界制御磁性は、上記の利点の組み合わせを提供できることが証明されています。これらのFM / FEヘテロ構造[1,2,3,4,5,6,7,8,9]では、ME結合メカニズムは、ピエゾひずみ効果、電荷効果、交換バイアスを含む3つの側面として広く認識されています[10、 11,12,13,14,15]。この中で、ピエゾストレインは、強誘電体に電界をかけたときのピエゾストレイン効果によって得られ、磁性層の大きな磁気応答を誘発する可能性があります。ピエゾストレインを介したMEカップリングに基づいて、特定の強誘電性結晶材料Pb（Mg _1/3 Nb _2/3 ）O ₃ -30％PbTiO ₃ d が原因で、大きなピエゾストレイン効果を持つ（PMN-PT）がFM / FEヘテロ構造でよく使用されます。 ₃₃ 材料の d よりもはるかに大きい ₃₁ ; PMN-PT層に印加された電界によって誘発されたひずみまたは電荷は、隣接する磁性層の磁気異方性を操作する可能性があり、その結果、ME効果が生じます[16、17、18]。 FM / FEヘテロ構造では、ハーフメタリックホイスラー合金Co ₂ 磁性層としてのFeAl（CFA）は、適格な材料の選択肢として使用する必要があります[19、20、21、22]。 CFA薄膜は、低い磁気減衰定数、高いスピン偏極、高いキュリー温度（1000 K）などの優れた材料特性を備えており、スピントロニクスデバイスの理想的なスピン偏極電子源と見なされています[23、24]。ウーらal。 （011）配向の単一強誘電体材料の圧電ひずみ応答を報告しました。残留ひずみの比較的大きな変化は、電界によってのみ適用および解放されて得られました[25]。ただし、PMN-PT基板に電界を印加することによる磁性層の圧電ひずみを介した磁気特性は、電子デバイスでのアプリケーションに不可欠です。したがって、この論文では、Co ₂ の不揮発性電場を介した磁気特性を調査しました。 FeAl / Pb（Mg _1/3 Nb _2/3 ）O ₃ -PbTiO ₃ 室温でのヘテロ構造。 [100]および[01-1]方向に沿った不揮発性電場駆動残留磁化が達成され、パルス電場を印加することによって2つの巨大な可逆的で安定した残留磁化状態が得られます[26]。これは、圧電基板に起因する圧電ひずみ効果に起因する可能性があり、電子デバイスアプリケーションの潜在的な候補となる可能性があります。

メソッド

ヘテロ構造は、FM層としてのCFA合金とFE層としてのPMN-PT（011）で構成されていました。 CFA薄膜は、直流（DC）マグネトロンスパッタリングにより、600°C、Ar圧力0.1 Pa、流量10 SCCM（SCCMはSTPで1分あたりの立方センチメートルを表す）、ベース圧力2×10 <で堆積されました。 sup> -5 Pa。CFA薄膜の厚さは40nmでした。 Pt層は、電極として厚さ2mmのPtターゲットによってスパッタされました。上部と下部のPt層の厚さは、それぞれ10nmと50nmでした。銅線は粘着テープで電極に接続されていました。 CFA / PMN-PTヘテロ構造の静磁気特性は、振動試料型磁力計（VSM、MicroSense EV9）によって調査されました。 DC電源（Keithley 2410）を使用して、バイアス電圧を供給しました。磁区画像は、AsylumResearch©MFP-3Dを使用して、サンプル面に垂直に磁化された軟磁性チップを使用して、磁気力顕微鏡（MFM）によって室温で記録されました。すべての測定は室温で行われました。

結果と考察

CFA / PMN-PTヘテロ構造の基本的な構成要素と面内静磁気測定の座標系を、それぞれ図1a、bに示しました。有効電場誘起ピエゾひずみ場（ H _σ ）および磁気異方性磁場（ H _k ）は互いに垂直です。磁場 H を定義します [100]方向に沿って0°として適用されますが、[01-1]方向は90°として適用されます[26]。 PMN-PTヒステリシスループから（ P - E ループ、1 Hz）およびひずみ曲線（ S - E ）、図1cの強誘電体ゲージとひずみゲージで測定すると、PMN-PTの飽和分極は約25μCcm ^-2 であることがわかります。 、および強圧場は約100 V（2.5 KVcm ^-1 ）。 MFM画像は、図1dに示すように、印加された磁場1000Oeを取り除いたときに測定されます。暗い領域と明るい領域は、面外磁化成分の形成を示しています。その結果、ストライプドメイン（SD）として知られる、振動する「上下」の磁区が形成されます。これは、かなりの垂直磁気異方性の存在を示唆しています[27]。

CFA / PMN-PTマルチフェロイックヘテロ構造の概略図（ a ）および座標系の概略図（ b ）。 α 、φ 、およびθ は、有効な電界誘導ピエゾひずみ場（ H ）の角度です。 _σ ）、磁気異方性磁場（ H _k ）、および磁化（ M _s ）総有効場（ H ₀ ）、 それぞれ。 θ ₀ H の角度です _k 磁場に関して（ H ）。 c ヒステリシスループ（ P - E ループ、1 Hz）およびひずみ曲線（ S - E ）[100]方向に沿ったPMN-PT基板の。 d CFAフィルムの典型的なMFM画像

CFA / PMN-PTヘテロ構造の磁気ヒステリシスループは、±0および±5 kVcm ^-1 の印加電界下で、[100]および[01-1]の方向に沿って測定されました。 [11]。電界は上から下に正として、そうでなければ負として適用されました。 −0および+0 kVcm ^-1 は、−10および+10 kVcm ^-1 の印加電界後の残留分極状態です。 それぞれオフになりました。図2aに示す磁気ヒステリシスループは、明確な面内磁気異方性を示しています。青い線は[100]方向に沿った面内ヒステリシスループの磁化容易方向を表しており、残留磁化は飽和磁化よりも大幅に小さくなっています。 M - H ループは2つの磁化プロセスで構成されていました： M - H 曲線は、正の飽和磁場から負の保磁力磁場への印加磁場と M の急激な逆転との間に線形関係を示します。 H のとき 保磁力フィールドに到達します。 M - H 印加磁場が減少し続けると、曲線は線形関係に戻ります。これは、フィルムがストライプドメイン構造を持っていると見なすことができます。赤い線は[01-1]の方向に沿って測定された硬磁化方向を示しています。図2bは、電界 E の下でのCFA / PMN-PTヘテロ構造のヒステリシスループを示しています。 =5 kVcm ^-1 。図1aに示す結果と比較すると、容易軸方向は90度回転しています。つまり、[100]から[01-1] [28,29,30]の方向に回転しています。図2cに示すように、青い線は赤い線と一致し、面内磁気異方性は分極状態+ 0 kVcm ^-1 で消失します。 。印加電界が-5kVcm ^-1 まで減少し続けると、磁化容易軸は[100]方向に戻ります。 図2dに示すように。異なる電界による磁気異方性磁界の変化を調べるために、図2eに示すように、さまざまな角度での残留磁化を測定しました。この測定では、サンプルを平面内で5°刻みで0°から360°まで回転させました。面内磁気異方性は、CFA / PMN-PTヘテロ構造で測定されます。 − 0 kVcm ^-1 で 、面内残留磁化曲線の磁化容易方向は[100]の方向に沿っています。相対残留磁化の値（ M _r / M _s ）は1よりも大幅に小さく、これは磁気モーメントの一部がコヒーレントな配置ではないことを示しています。電界を+2.5 kVcm ^-1 に上げると 、磁気異方性が減少します。電界を+5 kVcm ^-1 に増やし続ける場合 、面内磁気異方性が再び現れます。 −0および+5 kVcm ^-1 での残留磁化曲線と比較 、容易軸は90°回転します。これは、図2a、bに示すヒステリシスループの結果と一致しています。これは、電界によって引き起こされる圧電効果に起因する可能性があり、PMN-PTの圧電効果により、新しい磁気異方性（応力異方性 H ）が生成されます。 _σ ）CFA / PMN-PTヘテロ構造。 CFA / PMN-PTヘテロ構造の磁気異方性は、 H の組み合わせの影響を受けます。 _σ および H _k [31]。

a–d 磁気ヒステリシスは、-0、0、5、および-5 kVcm ^-1 でループします。 、 それぞれ。 e 測定された M _r / M _s 対θ ₀ さまざまな電界下での曲線

電界によるピエゾひずみ効果を検証するために、[01-1]および[100]方向に電界を印加したときの残留磁化を測定しました。飽和磁場1200Oeを[100]方向と[01-1]方向にそれぞれ除去した後、電界を掃引して残留磁化の変化を測定しました。非対称の蝶のような残留磁化対印加電界が得られます。 CFA / PMN-PTヘテロ構造の残留磁気は、蝶の形をした電界に応答することがわかります。 M - E 曲線は、電界を+10から-10kVcm ^-1 まで掃引することによって測定されました。 図3a、c。この応答は、電界による応力の変化曲線と対称であり、これは、応力効果がサンプルの磁気制御において支配的な役割を果たすことを示しています。残留分極状態（±0 kVcm ^-1 ）での残留磁化は注目に値します。 ）は+ 10 kVcm ^-1 とは異なります 図3の大文字のAとE、および− 10 kVcm ^-1 で示されています。 PMN-PT基板からの残留応力であるBとFによって示されます。残留分極状態は、0 kVcm ^-1 の残留磁気です。 状態。これはPMN-PT基板の残留応力に由来し、+ 10と-10kVcm ^-1 では同じではありません。 。これは、図1cのひずみ曲線の残留ひずみと一致しています。

a 、 c M の依存関係 _r / M _s 電界の大きさは、電界の形を+10から-10kVcm ^-1 に掃引することによって測定されました。 それぞれ[100]方向と[01-1]方向に。 b 、 d M の依存関係 _r / M _s 電界は、電界を+5から-5kVcm ^-1 の形に掃引することによって測定されました。 それぞれ[100]方向と[01-1]方向に。数字と矢印は、測定のステップと方向を表しています。また、この図の大文字は M の値を表しています。 _r / M _s 残りの偏光状態で

不飽和分極状態（±5 kVcm ^-1 ）での残留磁気の関係について実験を行いました。 ）電場の不揮発性制御を反映するために、[100]および[01-1]方向の電場を使用します。電界による残留磁気の変化もループ状の形状変化を示し、サンプルの残留磁気は、正の状態での残留分極応力に起因する良好な非揮発性を示していることがわかります。図3b、dに示すように、負の電界。これは、ストレス耐性のある不揮発性メモリデバイスの可能性が高いです。

磁気メモリアプリケーションでは、図4に示すように、パルス電界での不揮発性残留磁気が達成されました。±5または±10kVcm ^-1 の断続的な正および負の電界 [100]および[01-1]方向にサンプル全体に適用されます。まず、磁場を1200 Oeに設定し、その後0に減らします。次に、パルス電界は最初に±5 kVcm ^-1 に固定されます。 [100]方向に移動し、その後0に減少し、図4aの大文字のAとBで示される2つの残留偏光状態の結果が示されます。 ±10kVcm ^-1 の同様のケース 図4aでは他の残留分極状態CおよびDとしても観察されました。これは、サンプルの不揮発性状態も反映しています。パルス電界が-5または-10kVcm ^-1 に印加された場合 その後0に減らすと、残留磁気がすぐに比較的大きくなり、5または10 kVcm ^-1 に適用されたときにわかります。 その後0に減少すると、残留磁気が大幅に減少します。この現象と M の値 _r / M _s 図3a、bの結果と一致しています。サンプルの反対方向でも同様の測定を行ったところ、図4bに示すように同様の結果が得られました。 4つの明確で安定した残留磁気状態が2つのパルス電場によって切り替えられることがわかります。 E、F、G、およびHの4つの抵抗状態は、±5および±10 kVcm ^-1 のパルス電界スイッチングによって生成されます。 その後、それぞれ[01-1]方向に瞬時に削除されます。要約すると、Co ₂ の残留 不均一なFeAl / PMN-PTは応力制御であるため、パルス電場の下で多状態の残留磁気を実現し、多形ストレージに使用できます。

正規化された残留磁化比 M _r / M _s パルス電場の下で。 a M の変更 _r / M _s パルス電界下で±5および±10kVcm ^-1 それぞれ[100]方向に沿って。 b M の変更 _r / M _s パルス電界下±5および±10kVcm ^-1 それぞれ[01-1]方向に沿って。この図の大文字は、さまざまな残留偏光状態を表しています

結論

要約すると、CFA / PMN-PTヘテロ構造の不揮発性電場を介した磁気特性が室温で調査されます。縞模様のドメイン構造は、CFAフィルムでのMFM測定によって得られました。磁気異方性は電場によって変調された。回転角VSMによって測定された結果は、-0および+ 5 kVcm ^-1 での圧電ひずみを介した不揮発性90°磁気容易軸回転を示しています。 。さらに、磁気貯蔵に使用できる正および負のパルス電場の下で、ピエゾストレインを介した2方向の不揮発性安定残留磁化反転が観察されます[32、33]。

略語

CFA：

Co ₂ FeAl

DC：

直流

FM / FE：

強磁性/強誘電

ME：

磁気電気

MFM：

磁気力顕微鏡

PMN-PT：

Pb（Mg _1/3 Nb _2/3 ）O ₃ -30％PbTiO ₃

VSM：

振動試料型磁力計