电场调控垂直磁性体系磁各向异性及磁畴畴壁移动行为的实验研究

Materials with well-defined perpendicular magnetic anisotropy (PMA) are of technological potential for realizing high density data storage media due to the steady magnetic state and narrow domain wall. But there still remains urgent issue of the writing operation as a result of the strong PMA. The electrical manipulation is one promising route to tune the magnetic anisotropy and accelerate the domain wall propagation velocity in artificial multiferroics by combining the ferromagnetic with ferroelectric materials. However, most researches have focused on the systems with in-plane magnetic anisotropy. In this project, we propose to tune the perpendicular magnetic anisotropy with strain generated in ferroelectric material by converse piezoelectric effect in applied electric field. Hence the spin reorientation transition behavior, as well as the domain wall propagation velocity in the PMA system, could be manipulated by the electric field induced strain effect. Our research may pave the way for the development of spintronic device with lower energy consumption.

垂直磁性体系因其所具有的稳定磁状态，以及较窄的磁畴壁，成为了磁存储器件的首选材料并受到广泛关注。然而其较强的垂直各向异性也造成了磁矩翻转的困难。在铁磁与铁电材料相结合构成的复相多铁异质结构中，人们通过外加电场调控了磁性材料的自旋翻转、磁各向异性、磁畴结构等性质，但是以往的研究多集中在面内磁性体系。在本项目中，我们拟在包含垂直磁性薄膜的复相多铁体系中，利用外加电场来调制其垂直磁各向异性，从而实现对自旋重取向行为的调控，降低磁矩翻转的能量势垒，并在此基础上利用电场调制磁畴畴壁的移动速度。本项目的顺利实施有助于推动电控磁这一研究热点的发展，为低能耗自旋存储器件的制备打下基础。

具有垂直磁各向异性的薄膜体系因具有稳定的磁矩状态，目前被广泛应用在磁存储材料和器件中。因此对其垂直磁各向异性的调控是自旋电子学领域的研究热点。本项目原计划研究在包含有垂直磁各向异性的人工多铁异质结构中，通过外加电场实现对垂直磁各向异性的调控。在获得国家自然科学基金青年项目的资助后，项目进展顺利。我们选用(011)面取向的PMN-PT单晶铁电衬底，在其上生长了具有垂直磁性的Pt/Co/Pt三层膜，构成了人工多铁异质结构。通过实验发现，当外加了垂直于膜面的电场后，PMN-PT(011)衬底所产生的各向异性应力传递至Pt/Co/Pt三层膜中，导致其各向异性发生变化。其中发生自旋重转向的临界厚度向着Co层厚度更高的位置发生偏移。通过定量分析Pt/Co/Pt三层膜的各向异性场，发现只有其一阶项受到了电场调控，而二阶项未受电场影响。此外，通过改变Co膜厚度的方式将一阶项的界面贡献和体贡献分离，发现二者在外加电场导致的应力作用下均发生的改变，且调控幅度最高达到7.5%。为了获得更显著的电场调控效应，我们在接下来的研究中选用了具有更高磁致伸缩系数的TbFeCo亚铁磁材料，与PMN-PT(011)衬底构成了多铁异质结构。不同于溅射方式制备的具有垂直磁各向异性的TbFeCo薄膜，我们发现采用脉冲激光沉积方式制备的TbFeCo薄膜具有面内单轴各向异性。当外加垂直于薄膜表面电场后，磁易轴由[01-1]方向转为[100]方向，并且当外电场撤销之后，易轴仍维持在[100]方向。我们将该非易失性的调控作用归因于PMN-PT材料在外电场作用下发生了由R相向O相的不可逆相变。此外，我们还发现TbFeCo的磁畴形态受到了电场的调控。当磁场平行于易轴方向扫描时，薄膜中磁畴更大，且磁矩翻转速度更快。我们的研究有助于从微观和宏观尺度加深对磁电耦合作用的理解，为制备基于磁电耦合作用的器件打下基础。