膜異質結構中的低壓磁電耦合

鐵電和鐵磁異質結構中的應變介導磁耦合可以為低功耗多功能設備的科學研究提供獨特的機會。鐵電體是可以保持自發和可逆電極化的材料。表現出高電致伸縮的弛豫鐵電體由于其大的壓電性是鐵電層構造的理想候選者。盡管弛豫鐵電體的特性是已知的，但它們的機械起源仍然是個謎，從而產生了一種神秘的材料形式。除此之外，薄膜在基板夾持方面是無效的，并且可以顯著降低壓電面內應變。在現在發表在《科學進展》上的一份新報告中、Shane Lindemann 和和韓國的材料科學和物理學研究團隊利用材料取向引起的各向異性應變，在全薄膜異質結構中展示了低壓磁電耦合。該團隊使用了理想的 Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 –PbTiO 3鐵電層，縮寫為PMN-PT在這項工作中，并將其與鐵磁鎳覆蓋層耦合以創建具有磁化的膜異質結構。他們使用掃描透射電子顯微鏡和相場模擬闡明了膜響應，以了解 PMN-PT 薄膜的微觀結構行為，然后將它們用于壓電驅動的磁電異質結構中。

磁電 (ME) 耦合

磁場的電場控制也稱為逆磁電耦合，具有用于下一代存儲器存儲和傳感技術的潛力。PMN-PT 材料作為弛豫鐵電材料很受關注，可用作具有大壓電成分的鐵電層。通過將弛豫鐵電體與包含大磁致伸縮的鐵磁體耦合，可以通過將電壓感應應變從鐵電層轉移到鐵磁層來實現反向 ME 耦合，從而實現面內各向異性、隧道磁阻的應變介導控制,鐵磁共振和電導率. 最近采取的低功耗器件ME驅動器和微型和納米機電系統的發展導致了弛豫鐵電薄的進一步研究電影。由于機械夾持，減小弛豫鐵電體的薄膜尺寸會導致壓電性大幅降低，因此科學家的目標是成功克服這一挑戰，將弛豫鐵電體薄膜集成到高性能器件中。在這項工作中，Lindemann 等人。克服了夾緊問題，并在全薄膜異質結構中展示了低壓應變介導的 ME 耦合。這項工作突出了弛豫鐵電薄膜的微觀性質，為它們在低功率壓電驅動磁電器件中的

林德曼等人。使用縱向磁光克爾效應(MOKE) 磁滯回線測量鎳覆蓋層中磁各向異性的應變引起的變化，作為 PMN-PT 偏置電場的函數。然后，他們展示了去除基板機械夾緊以實現大的各向異性面內應變的重要性。為了了解從磁光克爾效應滯后推斷的應變行為，Lindeman 等人。繪制了計算出的磁各向異性能量密度，由硬軸環的飽和場確定，以及基于鎳的已知磁致伸縮的已知微分應變。然后他們使用掃描透射電子顯微鏡確定了生長的 PMN-PT 膜的域結構. 單晶材料在薄膜生長過程中表現出具有晶格失配的柱狀結構。研究結果類似于與實驗模型一致的混合鐵電和弛豫域結構。

PMN-PT 膜的相場模擬

為了了解 PMN-PT 膜的應變行為，科學家接下來進行了相場模擬。為了測量平均應變，他們計算了單個自發極化元件的應變貢獻，乘以電致伸縮張量。模擬的起點表明實驗 PMN-PT 膜的鐵電印記周圍的預期結構。模擬結果定性地與在 PMN-PT/鎳膜中測量的實驗應變和極化一致。雖然從實驗 MOKE(磁光克爾效應)回路計算的應變相對于從模擬計算的應變表現出水平和垂直偏移，但定性地，這兩條曲線是相似的。

外表

通過這種方式，Shane Lindemann 及其同事在全薄膜異質結構中展示了低電壓、應變介導的磁電 (ME) 效應。該薄膜僅依賴于PMN-PT薄膜固有的大的各向異性應變。在這項工作中使用的 PMN-PT/鎳膜在小偏壓下實現了鎳覆蓋層的平面內磁各向異性的 90 度旋轉，以產生應變各向異性，由輸入控制PMN-PT薄膜的平面晶體對稱性。科學家們使用掃描透射電子顯微鏡展示了PMN-PT膜的微觀結構。. 然后使用塊狀 PMN-PT，他們展示了該材料如何表現出面內和面外偏振態之間的永久切換;這種行為為內存存儲提供了一個理想的特性。這項工作提供了對 PMN-PT 薄膜膜微觀結構行為的關鍵見解，以展示它們在磁電耦合裝置中的應用，并預測它們與各種其他材料的使用，以發現以前未知的壓電驅動現象。