2018年7月23日
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杜军教授课题组在电控磁方面取得重要进展——基于电阻开关效应在室温下实现全电场控制交换偏置

自旋电子学是一门交叉学科,其核心内容是通过调控固态系统中电子的自旋自由度,将标准的微电子技术与自旋相关效应有机结合在一起,为研制新一代高性能电子器件提供机会。值得一提的是,与当今已广泛应用的金属-氧化物-半导体电子器件相比,电压(或电场)调控的自旋电子器件具有能耗低、处理速度快、集成度高及功能多等优势,近年来在信息技术领域引起了人们的普遍关注。然而,由于在一般材料中磁化强度和电场之间缺乏足够强的直接耦合作用,因此电调控自旋电子学一直未能取得重要进展。交换偏置是由于铁磁-反铁磁体系界面处存在直接耦合作用而产生的特性,虽然迄今为止其内在机制尚未被彻底揭示,但是目前该效应已广泛应用于多种磁电子器件,如计算机的读出磁头和各种磁传感器等。而完全通过电来控制交换偏置可以在电控磁方面提供新的思路,为实现高能效的自旋电子器件提供极有可能实现的途径。尽管在过去的近十年中,人们尝试利用多种方法在多种材料和器件中研究电控交换偏置效应,但每种方法都存在一定程度的制约,因此目前室温下还不能完全实现直接的电控交换偏置。

南京大学物理学院杜军教授课题组最近提出了一种结合电阻开关效应的新方法,室温下在Si/SiO2/Pt/Co/NiO/Pt器件中实现了可逆的、非易失的电控交换偏置。通过施加适当的电压,器件处于高电阻态并表现出明显的交换偏置,而器件处于低电阻态时交换偏置效应显著减弱甚至消失。通过非常细致的微结构表征,他们发现在NiO层中形成的导电细丝及其在Co-NiO界面附近的断裂是导致器件电阻在高、低阻态间可逆转换和交换偏置效应产生可逆变化的根本原因。与前人研究的电控交换偏置相比,本器件在许多方面具有明显的优点。首先,由于NiO材料具有较高的奈尔温度(~ 525 K),因此电控交换偏置可以在室温或更高的温度下实现;其次,NiO是一种非常典型的、教科书式的单极性电阻开关材料,在金属/NiO/金属三明治结构中具有电阻值显著不同的高、低阻态,开关比能轻易达到甚至超过105,从而使器件具有很强的可靠性和稳定性;第三,构成该器件的多层膜可以在室温下通过工业界普通使用的磁控溅射镀膜手段获得,且不需要后期的磁场或电场冷却处理;第四,构成该器件的多层膜可以直接生长在硅衬底上,与目前的硅基平面工艺具有良好的兼容性;最后,此器件的电控交换偏置在室温下是可逆的、可重复的和非易失性的。总之,该工作为设计新型非易失磁电随机存储器(MERAM)提供了一个新的思路。

图 1. 电性、磁光测量示意图和XPS谱线。(a) Si/SiO2/Pt/Co/NiO(1)/NiO(2)/Pt器件的I-V 曲线(左上图)和移除Pt顶电极后FMOKE(左下图)测量的结构示意图;(b) 两层NiO薄膜即NiO(1) (右上图) 和 NiO(2) (右下图)的XPS 测量结果。

图2. 电场调控的交换偏置效应。(a) FMOKE测量时激光光斑打在样品上不同位置时的示意图,L、O、H分别表示低阻态、原始态和高阻态,Q表示跨越低阻态和原始态的组合态;(b), (c)和(d)分别是激光光斑打在O、H/L、Q位置用FMOKE测得的磁滞回线,(b)图中的插图是Pt(50 nm)/Co(6 nm)/Pt(50 nm)薄膜样品的磁滞回线。

该工作于2018年6月11日在线发表于Advanced Materials 【Adv. Mater. 2018, 1801885】,论文第一作者为南京大学物理学院2016级博士研究生魏陆军,南京大学为第一单位,南京大学物理学院杜军教授和南京邮电大学通信与信息工程学院杜关祥教授为本文的共同通讯作者。南京大学物理学院游彪副教授在样品制备方面提供了悉心的指导、南京邮电大学杜关祥教授课题组提供了聚焦磁光克尔效应仪(NanoMOKE3)用于测量样品的静磁性质、东北大学胡勇教授课题组提供了理论模拟计算、悉尼大学郑荣坤教授课题组在高分辨电镜表征方面提供了大力支持。此外,该工作的设计和实施还得到了同济大学物理系周仕明教授的热心指导。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和面上项目等基金的资助。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201801885

(物理学院 科学技术处)