Lavspændingsmagnetoelektrisk kobling i membranheterostrukturer

Deformationsmedieret magnetisk kobling i ferroelektriske og ferromagnetiske heterostrukturer kan tilbyde en unik mulighed for videnskabelig forskning i laveffekt multifunktionelle enheder. Ferroelektrik er materialer, der kan opretholde spontan og reversibel elektrisk polarisering. Relaxor-ferroelektriske stoffer, der udviser høj elektrostriktion, er ideelle kandidater til ferroelektriske lagkonstruktioner på grund af deres store piezoelektricitet. Selvom egenskaberne af relaxor-ferroelektriske stoffer er kendte, forbliver deres mekanistiske oprindelse et mysterium, hvilket giver anledning til en gådefuld form for materialer. Derudover er tynde film ineffektive fra substratfastspænding og kan væsentligt reducere piezoelektriske belastninger i planet. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Shane Lindemann og et forskerhold inden for materialevidenskab og fysik i USA og Korea, viste lavspændingsmagnetoelektrisk kobling i en helt tyndfilms-heterostruktur ved hjælp af anisotrope belastninger induceret af materialets orientering. Holdet brugte et ideelt ferroelektrisk lag af Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ –PbTiO₃ forkortet PMN-PT under dette arbejde og koblet det med ferromagnetiske nikkeloverlag for at skabe membranheterostrukturer med magnetisering. Ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi og fasefeltsimuleringer afklarede de membranresponsen for at forstå den mikrostrukturelle opførsel af PMN-PT tynde film, for derefter at anvende dem i piezo-drevne magnetoelektriske heterostrukturer.

Magnetoelektrisk (ME) kobling

Den elektriske feltstyring af magnetisme, også kendt som omvendt magnetoelektrisk kobling, har potentiale til næste generations hukommelseslagring og sensing-teknologier. PMN-PT-materialet er af interesse som et relaxor-ferroelektrisk materiale til anvendelser som det ferroelektriske lag med en stor piezoelektrisk sammensætning. Ved at koble det relaxor-ferroelektriske med en ferromagnet indeholdende stor magnetostriktion, kan omvendt ME-kobling opnås ved at overføre spændingsinduceret belastning fra det ferroelektriske lag til det ferromagnetiske lag for at resultere i den strain-medierede kontrol af in-plane anisotropi, tunneling magnetoresistens , ferromagnetisk resonans og ledningsevne. Den nylige satsning på ME-enheder med lav effekt og udviklingen af ​​mikro- og nanoelektromekaniske systemer har ført til yderligere undersøgelse af relaxor-ferroelektriske tynde film. Reduktion af tyndfilmsdimensionerne af relaxor-ferroelektriske materialer kan inducere en stor reduktion i piezoelektricitet på grund af mekanisk fastspænding, og videnskabsmænd sigter derfor mod at overvinde denne udfordring med succes med at integrere relaxor-ferroelektriske tynde film i højtydende enheder. I dette arbejde har Lindemann et al. overvandt fastspændingsproblemet og demonstrerede lavspændings-belastningsmedieret ME-kobling i alt-tynd-film heterostrukturer. Arbejdet fremhævede den mikroskopiske karakter af relaxor-ferroelektriske tynde film for at præsentere et afgørende skridt hen imod deres anvendelser i laveffekt piezo-drevne magnetoelektriske enheder.

Lindemann et al. målte de belastningsinducerede ændringer af magnetisk anisotropi i nikkeloverlaget ved hjælp af longitudinelle magneto-optiske Kerr-effekt (MOKE) hysterese loops, som en funktion af PMN-PT bias elektriske felter. De viste derefter betydningen af ​​at fjerne mekanisk fastspænding af substratet for at opnå store anisotrope in-plane stammer. For derefter at forstå belastningsadfærden udledt af den magneto-optiske Kerr-effekthysterese, Lindeman et al. plottede den beregnede magnetiske anisotropi-energitæthed, bestemt ud fra mætningsfeltet af hårdaksesløjfer, og den kendte differentielle belastning baseret på den kendte magnetostriktion af nikkel. De bestemte derefter domænestrukturen af ​​de voksende PMN-PT-membraner ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi. Det enkeltkrystallinske materiale viste en søjleformet struktur med gittermismatch under væksten af ​​filmen. Resultaterne lignede en blandet ferroelektrisk og relaxordomænestruktur i overensstemmelse med den eksperimentelle model.

Fasefeltsimuleringer af PMN-PT-membraner

For derefter at forstå belastningsadfærden af ​​PMN-PT-membranen udførte forskerne derefter fase-feltsimuleringer. For at måle den gennemsnitlige belastning beregnede de belastningsbidraget af individuelle spontane polarisationselementer multipliceret med elektrostriktionstensoren. Udgangspunktet for simuleringen indikerede den forventede struktur omkring det ferroelektriske aftryk af den eksperimentelle PMN-PT membran. Resultaterne af simuleringen stemte kvalitativt overens med den eksperimentelle stamme og polarisationer målt i PMN-PT/nikkelmembranen. Mens belastningerne beregnet ud fra de eksperimentelle MOKE (magneto-optisk Kerr-effekt) sløjfer udviste et vandret og lodret skift i forhold til de beregnede belastninger fra simulering, var de to kurver kvalitativt ens.

Outlook

På denne måde viste Shane Lindemann og kolleger den lavspændings-, deformationsmedierede, magnetoelektriske (ME) effekt i en heterostruktur med helt tynd film. Filmen var kun afhængig af de store anisotrope stammer, der er iboende til PMN-PT tyndfilmene. PMN-PT/nikkel-membranen, der blev brugt i dette arbejde, opnåede en robust, piezo-drevet, 90 graders rotation af nikkel-overlagets magnetiske anisotropi i planet under en lille forspænding for at resultere i belastningsanisotropi, styret af in- plan krystalsymmetri af PMN-PT-filmen. Ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi viste forskerne den mikroskopiske struktur af PMN-PT-membranen. Derefter ved hjælp af bulk PMN-PT viste de, hvordan materialet udviste permanent skift mellem in-plane og out-of-plane polarisationstilstande; denne adfærd gav et ønskeligt træk til hukommelseslagring. Arbejdet giver nøgleindsigt i den mikrostrukturelle opførsel af PMN-PT tyndfilmmembraner for at vise deres anvendelser i magnetoelektriske koblingsenheder og også forudsige deres brug med en række andre materialer for at opdage hidtil ukendte piezo-drevne fænomener. + Udforsk yderligere

Forståelse af relaxor ferroelektriske egenskaber kan føre til mange fremskridt

© 2021 Science X Network