繆峰合作團隊：層狀材料的應(yīng)力調(diào)控為低功耗磁存儲提供新思路(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2020-10-16

鐵磁材料具有非易失性的磁性狀態(tài)，是用來實現(xiàn)信息存儲的理想載體。通過外場對其進行調(diào)控，并實現(xiàn)可控的磁性狀態(tài)變化，是磁存儲器件工作的物理基礎(chǔ)。在眾多外場調(diào)控手段中，應(yīng)變調(diào)控可以在較大范圍內(nèi)改變材料的晶格結(jié)構(gòu)，有望為實現(xiàn)新機制磁存儲提供新思路。同時，二維層狀磁性材料（CrI3, Cr2Ge2Te6 和 Fe3GeTe2等）因其獨特的物性受到廣泛關(guān)注。這類材料在器件小型化上擁有天然的優(yōu)勢，并易于產(chǎn)生應(yīng)變調(diào)控，是應(yīng)變電子學(xué)研究理想的材料體系。

 

南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰團隊（https://nano.nju.edu.cn）長期從事二維層狀材料的量子調(diào)控與器件應(yīng)用研究。近日，繆峰團隊利用面內(nèi)單軸應(yīng)力，對層狀磁性材料Fe3GeTe2（FGT）的磁性狀態(tài)進行原位調(diào)控，在實驗上實現(xiàn)了超靈敏的磁矩翻轉(zhuǎn)；團隊還進一步和中國人民大學(xué)季威團隊開展合作，對FGT中磁性狀態(tài)的應(yīng)變調(diào)控機制進行了理論分析和解釋。該工作展現(xiàn)了利用應(yīng)變來實現(xiàn)層狀磁性材料物性調(diào)控的獨特優(yōu)勢，并為低功耗磁存儲器件研究提供了新的思路。相關(guān)研究成果以《Strain-sensitive magnetization reversal of van der Waals magnet》（范德瓦爾斯磁性材料的靈敏應(yīng)變磁翻轉(zhuǎn)）為題，于2020年9月13日發(fā)表在期刊《先進材料》（Advanced Materials）（論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004533），南京大學(xué)物理學(xué)院博士生王雨、中國人民大學(xué)博士生王聰以及南京大學(xué)物理學(xué)院副研究員梁世軍為論文共同第一作者，南京大學(xué)繆峰教授、程斌副研究員和中國人民大學(xué)季威教授為該工作的共同通訊作者，新澤西州立大學(xué)S. W. Cheong教授為該工作提供了實驗材料的支持。該工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金等項目的資助，以及微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

 

在實驗中，團隊首先在聚酰亞胺（PI）柔性襯底上制備了Fe3GeTe2（FGT）器件（圖1a、1b），利用自主研發(fā)的三端應(yīng)變裝置對器件進行原位單軸應(yīng)變調(diào)控（圖1c），并通過反?；魻栃?yīng)來觀測樣品的磁矩變化。同時，由于該應(yīng)變裝置可集成在制冷機插桿上，可在極低溫（1.5 K）和強磁場（12 T）的極端條件下進行測試。在1.5 K時，通過研究不同應(yīng)變強度下的霍爾電阻Rxy和磁場B的關(guān)系（圖1d），發(fā)現(xiàn)磁滯窗口會隨著應(yīng)變的增強而逐漸變大。當(dāng)應(yīng)變增加到0.32%時，矯頑場增加了約150%，顯示應(yīng)變對磁性顯著的調(diào)節(jié)作用（圖1e）。

圖1. （a）Fe3GeTe2晶格結(jié)構(gòu)圖；（b）柔性襯底器件的光學(xué)照片；（c）原位應(yīng)變裝置示意圖；（d）1.5K時不同應(yīng)變對應(yīng)的磁滯回線；（e）不同應(yīng)變下矯頑場的變化曲線。

圖2.（a）在不同應(yīng)變強度下，居里溫度的變化。其中居里溫度由曲線拐點確定；（b）在0.14%應(yīng)變下，隨著溫度的升高，樣品從單磁疇?wèi)B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻女爲(wèi)B(tài)；（c）樣品在應(yīng)變強度和溫度下的相圖。

 

研究成員還研究了FGT樣品在應(yīng)變-溫度平面的相圖。首先，研究成員在不同應(yīng)變下對霍爾電阻Rxy進行變溫測量，并通過Rxy為零的轉(zhuǎn)折點確定居里溫度Tc。結(jié)果顯示隨著應(yīng)變的增加，Tc得到了顯著的提升（圖2a）。隨后，研究成員通過不同應(yīng)變下的磁滯回線隨溫度的變化獲得迷宮型多磁疇?wèi)B(tài)和單磁疇?wèi)B(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度Tl。例如，當(dāng)應(yīng)變固定在0.14%時，磁滯回線在120K以下時呈現(xiàn)矩形，而在120K以上時呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀，實現(xiàn)了單磁疇?wèi)B(tài)和迷宮型多磁疇?wèi)B(tài)的轉(zhuǎn)變（圖2b）?；谏鲜鼍永餃囟萒c、磁疇轉(zhuǎn)變溫度（Tl）同應(yīng)變的依賴關(guān)系，研究人員得到了單磁疇?wèi)B(tài)、多磁疇?wèi)B(tài)以及順磁態(tài)在應(yīng)變-溫度平面的邊界，并繪制了相圖（圖2c）。相圖顯示隨著應(yīng)力的增加，Tc近乎線性地增長，而Tl則會先增加然后趨于飽和。由于層狀材料一般具有較大的應(yīng)變承受能力，因此可以預(yù)期FGT樣品的Tc在大應(yīng)變調(diào)控下可以實現(xiàn)大幅的增長。

 

合作團隊進一步利用第一性原理計算了FGT樣品中的磁各向異性能（Magnetic anisotropy energy）以及磁交換作用（spin-exchange coupling）同單軸應(yīng)變的關(guān)系。計算顯示，磁各向異性能隨著應(yīng)變的增加會顯著上升，并在超過0.6%的應(yīng)變強度后開始下降（圖3a），這與實驗中觀測到的矯頑場同應(yīng)變的關(guān)系一致。另一方面，磁交換作用在應(yīng)變下并沒有顯著的改變（圖3b、3c）。計算結(jié)果表明，實驗中觀測到的應(yīng)變調(diào)控行為來自于磁各向異性能的變化，這主要歸因于在晶格形變時FGT樣品中自旋軌道耦合效應(yīng)的增強。

圖3. （a）磁各向異性能隨著單軸應(yīng)力的變化曲線；（b）Fe3GeTe2晶格中磁交換作用的示意圖；（c）磁交換作用隨著單軸應(yīng)力的變化曲線。

最后，研究人員實現(xiàn)了應(yīng)變輔助的磁翻轉(zhuǎn)。研究人員先通過磁場控制磁矩的初始狀態(tài)，再通過應(yīng)變的調(diào)控來改變磁滯窗口的大?。▓D4a）。當(dāng)矯頑場絕對值小于反向施加的磁場時，磁矩會失穩(wěn)并翻轉(zhuǎn)到與磁場同向的狀態(tài)（圖4b、4c）。值得一提的是，實驗中實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)磁矩所需的應(yīng)變改變量僅為～0.06%，展現(xiàn)了應(yīng)變層狀材料體系在未來低功耗磁存儲技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖4.（a）利用應(yīng)變下矯頑場的改變，可實現(xiàn)應(yīng)變輔助的磁翻轉(zhuǎn)；（b-c）在應(yīng)變輔助下，分別實現(xiàn)磁矩從"上"往"下"和從"下"往"上"的翻轉(zhuǎn)。