室温下Co₂FeAl/PMN-PT异质结构中电场控制非易失性磁性

摘要

我们证明了半金属霍伊斯勒合金Co₂FeAl沉积在Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃（PMN-PT）压电基底上，在室温下表现出非易失性、电场诱导的磁性能变化。通过沿[100]和[01-1]晶轴施加脉冲电场，我们实现了两个稳定的巨大剩余磁化状态，场移除后仍保持。该效应源于PMN-PT层产生的大压电应变，为磁电存储器件提供了可行路径。

研究背景

对高速、低功耗、非易失性信息存储日益增长的需求，推动了对铁磁/铁电（FM/FE）异质结构中磁电（ME）耦合的研究兴趣。ME耦合主要通过三种机制产生：压电应变、电荷和交换偏压。其中压电应变效应使施加的电场在铁电层产生应变，进而调节相邻铁磁体的磁各向异性。PMN-PT因其大d₃₃压电系数被广泛用作铁电组件，其应变可高效传递给磁性薄膜。Co₂FeAl（CFA）作为一种半金属霍伊斯勒合金，因其低阻尼、高自旋极化和高于1000 K的居里温度，成为极具吸引力的FM选择，适合自旋电子应用。先前研究表明电场诱导应变可旋转FM/FE双层的磁易轴，但在室温下清晰展示非易失性、可逆的磁化控制仍属空白。本研究填补了这一空白，证明CFA/PMN-PT (011)异质结构在电场移除后仍保留两个截然不同的剩余磁化状态，这是适合存储技术的非易失性操作标志。

方法

异质结构由40 nm CFA薄膜溅射在(011)取向的PMN-PT基底上组成。直流磁控溅射在600 °C、Ar压力0.1 Pa（10 SCCM）下进行。基础压力2×10⁻⁵ Pa。铂电极（顶部10 nm，底部50 nm）从2 mm靶材沉积。Cu导线用导电胶与电极连接。振动样品磁强计（VSM, MicroSense EV9）测量静态磁性能，同时Keithley 2410源表向压电层施加直流电压。磁畴成像用磁力显微镜（MFM），采用Asylum Research© MFP-3D系统配软磁探针，探针磁化方向垂直于样品平面。所有测量在室温下进行。

结果与讨论

CFA/PMN-PT异质结构示意图见图1a，平面坐标系见图1b。有效电场诱导应变场（Hσ）与磁各向异性场（Hk）正交。定义[100]方向为0°，[01-1]为90°（见图1b）。PMN-PT极化-电场回路（P-E，1 Hz）和应变-电场曲线（S-E）用铁电和应变计测量，见图1c，显示饱和极化约25 µC cm⁻²，矫顽场约100 V（2.5 kV cm⁻¹）。移除1000 Oe场后的MFM成像（图1d）显示条纹畴结构，表明强垂直磁各向异性。在±0和±5 kV cm⁻¹电场下沿[100]和[01-1]测量的磁滞回线（图2a）确认清晰的平面各向异性。剩余极化态（-0 kV cm⁻¹）下易轴沿[100]，当基底极化至+5 kV cm⁻¹时发生90°旋转（图2b）。+0 kV cm⁻¹态下各向异性消失（图2c），切换至-5 kV cm⁻¹时沿[100]重现（图2d）。旋转VSM测量（图2e）显示相对剩余磁化（Mr/Ms）随方位角呈正弦依赖，易轴随电场变化旋转90°。进一步通过从+10至-10 kV cm⁻¹扫描电场（先消磁样品）考察剩余磁化的电场依赖性（图3a,c）。所得蝴蝶形Mr/Ms曲线镜像应变-E行为，确认应变主导磁化控制。剩余极化态（±0 kV cm⁻¹）的剩余磁化与±10 kV cm⁻¹后不同，反映PMN-PT基底固有残余应力。为演示非易失性控制，在样品先经1200 Oe饱和后回零场的条件下，施加±5或±10 kV cm⁻¹脉冲电场（图4）。所得Mr/Ms值（标记A-H）显示四个截然不同的稳定状态，脉冲移除后沿[100]和[01-1]均保持。这种多态行为展示了压电应变介导控制用于多态磁电存储器件的潜力。

结论

我们证明CFA/PMN-PT异质结构在室温下表现出非易失性、电场诱导的磁各向异性和剩余磁化调制。MFM观察到的条纹畴结构和±5 kV cm⁻¹下易轴90°旋转确认了压电应变介导的控制。此外，脉冲电场产生四个稳定剩余态，为多电平磁电存储器件提供了路径。