矢量应变控制磁矩180度翻转的实验研究

Magnetic Random-Access Memory has advantages for non-volatility, high performance and endurance, however, suffers high power consumption due to the high current density required for writing. It is crucial to explore novel mechanism for magnetization switching with lower power consumption. Instead of current, electric field control magnetization switching can greatly reduce the Joule heating. In this project, we proposed to achieve magnetization switching by a “vector strain” in a ferroelectric and ferromagnetic hybrid system, in which a rotary strain is generated in the ferroelectric layer via a vector electric field, and the magnetization can be fully switched by magneto-elastic effect. This novel mechanism for electric field controlled magnetization switching promises a new avenue towards practical low power MRAM devices.

磁随机存储器具有非易失性、运行速度快、可靠性高等优点，但是自旋信息写入过程所需的过高的电流密度导致了高功耗的缺点。因此探索低功耗的磁矩翻转机制是目前自旋电子学研究领域的热点和关键。如果能用电场代替电流来实现磁矩翻转，将大幅降低功耗和发热。在本项目中，我们拟在铁电-铁磁复合体系中，通过利用铁电材料表面的“矢量应变”来实现电场对磁化方向的180°翻转，从而实现低功耗的自旋信息写入。具体方式是,对铁电材料表面上两对相互垂直的电极，施加具有相位差的交流电压，产生面内的矢量电场；再由铁电材料的逆压电效应诱导产生面内的“矢量应变”。该矢量应变可以操纵附着于铁电材料表面上的纳米磁体的磁矩翻转。本项目的顺利实施将有利于探索新的磁矩翻转操纵手段，为低功耗自旋存储器件的发展奠定坚实的基础。

在自旋电子学器件中，常采用电流的自旋转移矩和自旋轨道矩效应来控制磁矩的翻转而实现信息的操作，但都无法避免电流生热导致的功率提高与能量耗散问题，这也极大限制了相关器件的应用。而利用电场代替电流来控制磁矩的翻转，即“电控磁”，可以从根本上避免电流焦耳热效应的产生，是低功耗自旋电子器件的一个重要研究方向。本项目基于铁电-铁磁复合体系，探索纯电场操纵磁矩的180°翻转。我们从实验的角度出发，以电场诱导应变对磁各向异性调控为基础，利用两对相互垂直的电极产生方向、大小可控的矢量电场及应变，控制磁矩跟随应变发生旋转，最终实现磁矩180°的可控翻转。在项目开展过程中，为了实现大范围且均匀的应变分布，我们创新性地提出圆形的电极结构以避免临近电极对电场分布的干扰；对于磁性材料体系，我们优化缓冲层的厚度、磁性层材料类型，提高磁电耦合效率。针对该项目，我们设计并搭建了电压高达200V的矢量电场生成系统，结合铁电测试设备，完成了矢量应变的产生与测量。在此基础上，利用磁光克尔测量方法实时对磁矩取向进行表征，实现了矢量应变驱动的磁矩180°翻转。相信我们的工作成果，包括产生矢量应变的设计、铁电-铁磁复合薄膜生长和器件的微、纳加工，将推动相关自旋信息存储器件的发展，加深对低功耗自旋信息存储和自旋调控的机制和物理规律的理解。