Контроль напряжения: Реле контроля напряжения – купить реле защиты от скачков напряжения по низкой цене – интернет-магазин ВсеИнструменты.ру

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.

Функциональные файлы cookie:

Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.

Целевые / профилирующие файлы cookie:

Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

Контроль напряжения магнетизма в мультиферроичных гетероструктурах

Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2014 28 февраля; 372 (2009): 20120439.

Ming Liu

¹ Лаборатория исследования электронных материалов, ключевая лаборатория Министерства образования и Международный центр диэлектрических исследований, Сианьский университет Цзяотун, Сиань 710049, Китай

Nian ИКС.Sun

² Департамент электротехники и вычислительной техники Северо-Восточного университета, Бостон, Массачусетс 02115, США

¹ Лаборатория исследования электронных материалов, ключевая лаборатория Министерства образования и Международного центра диэлектрических исследований, Си ‘ Университет Цзяотун, Сиань 710049, Китай

² Кафедра электротехники и вычислительной техники Северо-Восточного университета, Бостон, Массачусетс 02115, США

Abstract

Электрическая настройка магнетизма имеет большое фундаментальное и техническое значение для быстрых, компактных и сверхмалых электронных устройств. Мультиферроики, одновременно проявляющие сегнетоэлектричество и ферромагнетизм, вызвали большой интерес благодаря способности управлять магнетизмом с помощью электрического поля посредством магнитоэлектрической (МЭ) связи. В частности, сильное деформационное МЭ взаимодействие, наблюдаемое в слоистых мультиферроидных гетероструктурах, делает практически возможным реализацию электрически реконфигурируемых микроволновых устройств, сверхмалой мощности электроники и магнитоэлектрической памяти с произвольным доступом (MERAM).В этом обзоре мы демонстрируем эту замечательную манипуляцию электромагнитным полем в различных мультиферроидных композитных системах с целью создания новых компактных, легких, энергоэффективных и настраиваемых электронных и микроволновых устройств. Прежде всего, демонстрируются настраиваемые микроволновые устройства на основе композитов феррит / сегнетоэлектрик и магнит-металл / сегнетоэлектрик, демонстрирующие возможность перестройки гигантского ферромагнитного резонанса (ФМР) с узкой шириной линии ФМР. Затем обсуждается манипулирование магнитосопротивлением с помощью электрического поля в мультиферроидных устройствах с анизотропным магнитосопротивлением и гигантском магнитосопротивлении для создания маломощных электронных устройств.Наконец, управление обменным смещением и детерминированное переключение намагниченности электронным полем продемонстрировано в мультиферроичных гетероструктурах с обменно-связанными антиферромагнетиками / ферромагнетиками / сегнетоэлектриками при комнатной температуре, что указывает на важный шаг к MERAM. Кроме того, также представлен недавний прогресс в электрически энергонезависимой настройке магнитных состояний. Эти настраиваемые мультиферроидные гетероструктуры и устройства предоставляют большие возможности для реконфигурируемых радиочастотных / микроволновых систем связи и радаров, спинтроники, датчиков и запоминающих устройств нового поколения.

Ключевые слова: мультиферроидные гетероструктуры, магнитоэлектрическая связь, энергонезависимая

1. Введение

В последнее десятилетие постоянно растущий спрос на более быстрые, малые и сверхмалые электронные устройства стимулировал исследование управления степенью вращения. свободы и магнитных состояний с помощью электрического поля (E-field) вместо тока [1–7]. Например, современные радиочастотные (РЧ) / микроволновые магнитные устройства настраиваются с помощью громоздких, шумных и энергоемких электромагнитов, что ограничивает их использование в самолетах, радарах, спутниковых и портативных устройствах связи, где масса и мощность потребление в большом почете [8].Кроме того, устройства хранения данных теперь становятся настолько маленькими, что локальное магнитное поле, необходимое для записи одного бита, влияет на соседние биты, вызывая нестабильность хранимых данных [7,9]. Решение состоит в том, чтобы создавать новые материалы и функциональные возможности и интегрировать их в энергонезависимые маломощные электронные устройства. Совсем недавно мультиферроики, проявляющие сегнетоэлектричество и ферромагнетизм одновременно, вызвали большой интерес из-за способности изменять магнитное состояние путем приложения E-поля посредством магнитоэлектрической (МЭ) связи [10–21].В частности, сильное деформационное МЭ взаимодействие, наблюдаемое в слоистых мультиферроидных гетероструктурах, делает практически возможным управление спиновым состоянием электронным полем для маломощной электроники [8,11,15,22–26]. МЭ связь (обозначающая обратную МЭ связь во всех контекстах) в мультиферроичных гетероструктурах обычно индуцируется приложением электрического поля к сегнетоэлектрической фазе, которое вызывает деформацию через обратный пьезоэлектрический эффект. Такая деформация может быть однородно передана магнитной фазе и приводит к эффективной магнитной анизотропии за счет магнитоупругого эффекта [27–30].В большинстве случаев этот эффект позволяет вращать магнитный момент на 90 ° и показывает больший коэффициент МЭ связи в композитных мультиферроиках, чем тот, который наблюдается в однофазных мультиферроиках, на несколько порядков [9,15]. Были разработаны различные МЭ устройства на основе мультиферроидных гетероструктур, в том числе регулируемые по напряжению устройства обработки ВЧ / СВЧ-сигналов, устройства магнитоэлектрической оперативной памяти (MERAM) [16,25,31] и устройства с регулируемым напряжением магнитосопротивления [32]. Эти устройства управляются напряжением, работают быстрее, компактнее и намного более энергоэффективны по сравнению с их современными аналогами.

В этом обзоре мы представим последние достижения в области мультиферроидных гетероструктур и устройств с трех сторон. Во-первых, перестройка микроволновых характеристик электромагнитным полем продемонстрирована в композитах феррит / сегнетоэлектрик и магнит-металл / сегнетоэлектрик, демонстрируя возможность перестройки гигантского ферромагнитного резонанса (ФМР) с узкой шириной линии ФМР [12,13,33]. Во-вторых, обсуждается манипуляция магнитосопротивлением с помощью электрического поля в устройствах с мультиферроидным анизотропным магнитосопротивлением (AMR) и гигантским магнитосопротивлением (GMR) для реализации маломощных электронных устройств [25,32,34].Наконец, управление обменным смещением электронным полем, таким образом детерминированное переключение намагниченности, демонстрируется в мультиферроидных системах с обменным смещением при комнатной температуре, что указывает на важный шаг к MERAM. Кроме того, в этот обзор включены последние достижения в области энергонезависимой настройки магнитных состояний. Эти новые настраиваемые мультиферроидные гетероструктуры и устройства открывают широкие возможности для реконфигурируемых систем радиочастотной / микроволновой связи и радаров, спинтроники, датчиков и запоминающих устройств нового поколения.

2. Электрическая настройка ферромагнитного резонанса в мультиферроидных гетероструктурах для легких, компактных и сверхмалых микроволновых устройств

МЭ взаимодействие, наблюдаемое в мультиферроидных композитах, обеспечивает эффективную передачу энергии между электрическим и магнитным полями и приводит к новым важным функциям и устройствам. Сильная МЭ связь имеет решающее значение для микроволновых устройств, где эффективная магнитная анизотропия, индуцированная электрическим полем, определяет возможность настройки характеристик микроволнового излучения.Однако продемонстрированный диапазон перестройки большинства этих устройств был очень ограничен, с возможностью перестройки частоты Δ f менее 150 МГц и низким настраиваемым магнитно-резонансным полем Δ H менее 50 Э [8,35]. Это в основном связано с большими тангенсами угла потерь на микроволновых частотах двух составляющих фаз, которые необходимо оптимизировать во всех аспектах, включая индивидуальную магнитную фазу, такую ​​как магнитострикция и намагничивание, пьезоэлектрическая фаза, режим связи и способ магнитного поля и электрическое поле применяется для достижения сильной МЭ связи.Здесь мы обсуждаем значительную настройку ФМР электромагнитным полем в новых композитах феррит / сегнетоэлектрик и магнитный металл / сегнетоэлектрик.

Магнитные ферриты широко используются в устройствах СВЧ, таких как фазовращатели, фильтры и резонаторы [36]. В нашей работе процесс центрифугирования используется для получения высококристаллических толстых пленок феррита шпинели различного состава непосредственно из водного раствора при температуре менее 90 ° C [37]. Сообщалось, что ферритовые пленки, полученные методом спинового распыления, демонстрируют высокую частоту ФМР, низкий тангенс угла потерь микроволнового излучения и высокую проницаемость, и их применяли в различных магнитных устройствах ВЧ / СВЧ.Поскольку новые химические связи образуются на границе раздела между ферритовыми пленками и сегнетоэлектрическими подложками, в гетероструктурах феррит / сегнетоэлектрик ожидается сильная межфазная адгезия, которая имеет решающее значение для достижения большой МЭ связи. На (011) -ориентированный монокристалл Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ –PbTiO ₃ (PMN-PT) и Pb (Zn _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ –PbTiO ₃ (PZN-PT) подложки при низкой температуре 90 ° C.Монокристаллы PMN-PT (011) и PZN-PT (011) имеют большие анизотропные пьезоэлектрические коэффициенты в плоскости и могут вызывать большую деформацию растяжения в плоскости [01-1] и деформацию сжатия в направлении [100]. при приложении электрического поля во внеплоскостном направлении [011]. Перестройка ФМР на электронное поле измерялась системой электронного парамагнитного резонанса в режиме развертки поля, когда образец помещался в прямоугольный резонатор с рабочей частотой 9,3 ГГц. Электрическое поле прикладывалось перпендикулярно подложке, а магнитное поле прикладывалось в направлении в плоскости [100], которое перпендикулярно направлению распространения микроволн.При приложении электрического поля монокристаллическая подложка PMN-PT подвергается деформации сжатия в направлении [100]. Эта деформация может когерентно передаваться пленкам Fe ₃ O ₄ и приводит к эффективному магнитному полю H _eff за счет магнитоупругого эффекта. В принципе, H _eff можно записать как

2,1

где λ _s – постоянная магнитострикции магнитных материалов, Y – модуль Юнга, d – пьезоэлектрический коэффициент сегнетоэлектрических материалов, который может быть положительным (растяжение) или отрицательным (сжимающим) , а M _s – намагниченность [27].Следовательно, большие λ _s и d и маленькие M _s необходимы для получения прочных ME-соединений. На практике H _eff может быть количественно определено путем измерения FMR, как описано в уравнении Киттеля

2.2

где H _r – резонансное поле, f – микроволновая частота и γ – гиромагнитное отношение. В режиме развертки поля ( f, – постоянная величина), индуцированная E-полем магнитная анизотропия H _eff количественно подтверждается наблюдением сдвига резонансного поля H _r .В режиме качания частоты ( H _r является константой) резонансная частота f смещается при изменении эффективной магнитной анизотропии. показана зависимость спектров ФМР спектров ФМР от E-поля в мультиферроидных гетероструктурах феррит / сегнетоэлектрик, полученных методом спинового распыления. d P / d H представляет производную поля для поглощения микроволновой мощности в пленках Fe ₃ O ₄ в режиме развертки поля. Значительные сдвиги резонансных полей до Δ H _r = 600 Oe или H _eff = −600 Oe, что соответствует большому МЭ-коэффициенту микроволнового излучения (d H _eff / d E ) 67 Э см кВ ^-1 , наблюдались в гетероструктурах Fe ₃ O ₄ / PMN-PT (011) при приложении электрического поля от -3 до 6 кВ см ^-1 .Согласно уравнению (2.1), мы связываем эту сильную МЭ-связь с большим пьезоэлектрическим коэффициентом PMN-PT (011) ( d ₃₁ = −1500 пКл N ⁻¹ ), большой магнитострикцией Fe ₃ O ₄ (λ = 35 ppm) и малая намагниченность (4 πM _с = 6000 G). Усиление поля ФМР при приложении электрических полей вызвано деформацией сжатия, индуцированной электрическим полем вдоль [100], которая создает отрицательную H _eff в этом направлении (определяется знак H _eff . на произведение λ _с d ) и переводит FMR в область сильного поля.Кроме того, в гетероструктуре Fe ₃ O ₄ / PZN-PT (011) наблюдался гигантский диапазон перестройки поля ФМР 860 Э с шириной линии ФМР 330 Э. применяется, что соответствует коэффициенту связи МЭ 108 Э см кВ ^-1 ( b ). Это связано с большим пьезоэлектрическим коэффициентом PZN-PT (011), чем у монокристалла PMN-PT. По сравнению с Fe ₃ O ₄ / PMN-PT (011) ширина линии ФМР уменьшилась с Δ H = 480–620 Э в Fe ₃ O ₄ / PMN-PT до Δ H = 330–380 Э в Fe ₃ O ₄ / PZN-PT, что приводит к значительному увеличению отношения настраиваемого поля ФМР к ширине линии ФМР, равному 2.5.

Настройка электронного поля спектров ферромагнитного резонанса в ( a ) Fe ₃ O ₄ / PMN-PT (011) и ( b ) Fe ₃ O ₄ / PZN-PT ( 011) структуры, в которых внешние магнитные поля прикладываются вдоль направления [100] в плоскости, а внешние электрические поля прикладываются во внеплоскостном направлении [011]. d P / d H представляет собой производную магнитного поля поглощения микроволновой мощности. (Онлайн-версия в цвете.)

В дополнение к электрическому контролю микроволновых характеристик в феррит / сегнетоэлектрических гетероструктурах также изучались металлические / сегнетоэлектрические микроволновые гетероструктуры. Совсем недавно мы сообщили о новом классе микроволновых магнитных тонкопленочных материалов, пленках FeGaB, которые имеют большую константу магнитострикции и низкие поля насыщения, необходимые для применения в мультиферроидных композитах [38]. При изменении уровня легирования B образовывалась аморфная фаза FeGaB, которая приводила к превосходной магнитной мягкости с коэрцитивной силой менее 1 Э, узкой шириной линии ФМР 16–20 Э в полосе X (9.6 ГГц), большой λ _s 50–70 ppm, высокая намагниченность насыщения 11–15 кГс и частота самосмещенного FMR 1,85 ГГц. Сочетание этих свойств делает пленки FeGaB потенциальными кандидатами для перестраиваемых МЭ СВЧ устройств и других приложений магнитных устройств ВЧ / СВЧ. В нашей работе аморфные пленки FeGaB толщиной 100 нм были совместно напылены на монокристаллические подложки PZN-PT (011) при комнатной температуре. Легкая магнитная ось вдоль направления [01-1] в плоскости создавалась при приложении внешнего магнитного поля силой 100 Э в этом направлении во время роста пленки.На тыльную сторону подложки PZN-PT в качестве нижнего электрода наносился слой Au. Образец укладывали лицевой стороной вниз на копланный волновод с двумя портами, подключенными к анализатору цепей, как схематически показано на рис. Электрические поля прикладывались перпендикулярно подложкам, а направление распространения микроволн было вдоль легкой оси магнитного поля [01-1]. Манипуляция электромагнитным полем характеристик микроволн в FeGaB / PZN-PT измерялась анализатором цепей по методу качания частоты. a показывает электрическую настройку коэффициентов передачи S ₂₁ , определенных как усиление прямого напряжения, в структурах FeGaB / PZN-PT (011).При увеличении напряжения положение пика поглощения, представляющее частоту ФМР, демонстрирует сильную зависимость от электрического поля [33]. Самая низкая частота FMR составляет 1,75 ГГц при нулевом электрическом поле, а самая высокая – 7,57 ГГц при 6 или 8 кВ см ^-1 . Полный частотный диапазон FMR с электростатической перестройкой составляет 5,82 ГГц, что примерно на два порядка выше, чем другие известные значения [35]. Это большое увеличение резонансной частоты при приложении электрических полей также можно интерпретировать уравнениями (2.1) и (2.2). Положительный H _eff вдоль направления [01-1] в плоскости был получен в результате положительной магнитострикции FeGaB и деформации растяжения, вызванной E-полем (положительный d ) в PZN-PT (011 ). Следовательно, резонансная частота f приводится в высокочастотную область, как описано в уравнении (2.1), где внешнее магнитное поле является постоянным. b показывает зависимость петель магнитного гистерезиса от электрического поля при приложении магнитного поля вдоль направления [100].Процесс намагничивания оказывается сложнее и показывает большое изменение поля насыщения намагниченности от 10 до 700 Э, когда электрическое поле было приложено от 0 до 6 кВ см ^-1 . В основном это происходит из-за большой положительной магнитострикции FeGaB и деформации сжатия, вызванной электрическим полем вдоль направления [100], что приводит к большой отрицательной H _eff и магнитной жесткой оси вдоль этого направления.

( a ) Зависимость поглощения микроволнового пропускания от электрического поля, S ₂₁ , с качанием частоты.Электрическое поле прикладывалось не в плоскости [011]; Направление распространения микроволн было в плоскости [01-1]. Пик поглощения представляет собой частоту ФМР. ( b ) Зависимость петель магнитного гистерезиса от E-поля, где магнитное поле приложено вдоль направления [100]. (Онлайн-версия в цвете.)

Мы продемонстрировали сильные МЭ связи в гетероструктурах феррит / сегнетоэлектрик и магнитный металл / сегнетоэлектрик, которые можно использовать для управления характеристиками СВЧ и создания настраиваемых ВЧ-устройств.В нашей лаборатории мы также изготовили много других мультиферроидных гетероструктур для различных приложений. Краткое описание их МЭ-связи показано на. Наибольшая индуцированная E-полем H _eff из 3500 Э была достигнута в структуре терфенол-D / PZN-PT (011) из-за огромной константы магнитострикции в магнитной фазе. Гигантская электростатически настраиваемая магнитная анизотропия, а также частота FMR делают эти мультиферроидные гетероструктуры отличными кандидатами для реконфигурируемых микроволновых мультиферроиков со сверхнизкой мощностью.

Таблица 1.

Сравнение МЭ связи в различных мультиферроидных гетероструктурах. ЖИГ, феррит железо-иттриевого граната.

3.Электрическая настройка магнитосопротивления в слоистых мультиферроичных гетероструктурах для сверхмалой мощности электроники

Энергоэффективный подход к электрической модуляции магнитосопротивления был продемонстрирован в мультиферроиках AMR и GMR гетероструктурах. Гигантская магнитная анизотропия, индуцированная E-полем, вызванная сильной МЭ-связью, используется для управления ориентацией намагниченности и, таким образом, динамического управления магнитосопротивлением в устройствах AMR и GMR [32,34]. Это можно выразить уравнением сопротивления как функции H _eff :

3.1

Здесь H _k и H _d – это поле магнитной анизотропии и поле размагничивания, которые довольно малы в тонких магнитно-мягких пленках, а θ – угол между намагниченностью и током. поток, который сильно зависит от внешнего магнитного поля H и H _eff . демонстрирует модулирующее электромагнитное сопротивление электромагнитным полем в мультиферроичной AMR-структуре Ni ₈₀ Co ₂₀ / PZN-PT (011), где Ni ₈₀ Co _{толщиной 40 нм толщиной 20 пленок с λ s = -20 ppm были нанесены на монокристаллические подложки PZN-PT (011) с ориентацией (011) методом магнетронного распыления.Легкая магнитная ось вдоль направления [01-1] в плоскости была сделана, поскольку образец находился в присутствии магнитного поля 200 Э во время осаждения. Как текущее, так и приложенное внешнее магнитное поле параллельны направлению в плоскости [100] (жесткая магнитная ось). Без магнитного поля смещения минимальный AMR был достигнут при нулевом электрическом поле, вызванном ортогональностью между направлением намагничивания (легкая ось) и электрическим током (жесткая ось), как схематично показано на a .При увеличении напряженности электрического поля, которое прикладывается во внеплоскостном направлении [011], ориентация намагниченности поворачивается в плоскости от [01-1] до [100] и параллельно току направлении, что приводит к максимальному магнитосопротивлению в соответствии с уравнением (3.1). Вращение намагниченности происходит из-за большого индуцированного электрическим полем положительного сигнала H eff (λ s <0, d <0, λ s d > 0), который изменяется легкая магнитная ось в направлении [100].Аналогичные результаты наблюдались, когда внешнее магнитное поле смещения 50 Э было приложено вдоль направления [01-1], в котором требуется большая индуцированная электрическим полем магнитная анизотропия, чтобы сначала преодолеть внешнее магнитное поле смещения, а затем повернуть магнитные моменты до 100] и дают максимальное магнитосопротивление. Также была продемонстрирована динамическая настройка магнитосопротивления электронным полем, как показано в b . Без магнитных полей смещения магнитосопротивление хорошо модулировалось прямоугольным электрическим полем (0–2 кВ см ^–1 ) с частотой 0.5 Гц. Под действием магнитного поля смещения 50 Э магнитосопротивление периодически изменялось синусоидальным E-полем (1–4 кВ см ^–1 ) [34].}

( a ) Модуляция электронного поля AMR в Ni ₈₀ Co ₂₀ / PZN-PT (011) с полями магнитного смещения 0 и 50 Э, где начальная легкая ось магнитного поля расположена вдоль [01- 1] и перпендикулярно измеряемому току и внешним магнитным полям. (b ) E-поле, динамически модулирующее AMR при различных внешних магнитных полях смещения 0 (i) и 50 Э (ii) в ответ на прямоугольные и синусоидальные E-поля, соответственно.(Онлайн-версия в цвете.)

Кроме того, спиновые клапаны или структуры ГМС из Ta (10 нм) / FeMn (15 нм) / Ni ₈₀ Fe ₂₀ (8 нм) / Cu (2 нм) / Co (4 нм) / Ta (10 нм) были нанесены непосредственно на (011) -ориентированные подложки PZN-PT без вакуума с помощью магнетронного распыления, как схематически показано на рис. Здесь Co – свободный слой с отрицательной константой магнитострикции -50 ppm; Ni ₈₀ Fe ₂₀ – закрепленный магнитный слой с почти нулевой постоянной магнитострикции.Во время осаждения легкая магнитная ось вдоль [100] (конфигурация I) или [01-1] (конфигурация II) создавалась с помощью внешнего магнитного поля. a , c показывает зависимость петель магнитного гистерезиса от электрического поля в двух конфигурациях измерения, где легкая ось магнитного поля, направление тока, а также внешнее магнитное поле параллельны направлению [100] (I; a ) и направление [01-1] (II; c ). По мере увеличения электрического поля изменения в петлях магнитного гистерезиса демонстрируют противоположную тенденцию в обеих конфигурациях, указывая на то, что индуцированная электрическим полем магнитная анизотропия приводит к легкой оси магнитного поля вдоль направления [100] и жесткой оси вдоль направления [01-1] направление.Кроме того, коэрцитивное поле было значительно увеличено на 100% в конфигурации I, когда было приложено электрическое поле 6 кВ см ^-1 . Для закрепленного магнитного слоя из Ni ₈₀ Fe ₂₀ петли гистерезиса практически не менялись при различных E-полях из-за близкой к нулю константы магнитострикции [34].

Зависимость петель магнитного гистерезиса ( a , c ) и гигантского магнитосопротивления ( b , d ) от поля в мультиферроидной структуре FeMn / Ni ₈₀ Fe ₂₀ / Cu / Co / ПЗН-ПТ (011).Легкая магнитная ось, направление тока и внешнее магнитное поле расположены вдоль направлений [100] и [01-1] соответственно. (Онлайн-версия в цвете.)

b , d показывает модуляцию электронного поля GMR для обеих конфигураций. Типичные петли гистерезиса магнитосопротивления с отношением GMR 3% были достигнуты для конфигурации I ( b ). Было обнаружено, что коэрцитивное поле увеличивалось на 100% при приложении электрического поля 6 кВ см ^-1 , что могло позволить переключение намагниченности на 180 ° в слое Co, как показано линиями стрелок.Используя это преимущество, переключение магнитосопротивления до 3% было достигнуто за счет уменьшения электрического поля в различных магнитных полях 55 или -55 э. В конфигурации II зависимость магнитосопротивления от электрического поля показывает петли гистерезиса, аналогичные тем, которые наблюдаются в процессе намагничивания ( c ). Мы связали это явление с полем магнитной анизотропии, индуцированной E-полем, которое приводит к максимальному повороту намагниченности на 90 °. Однако в этой конфигурации была достигнута только половина отношения GMR из-за индуцированного электрическим полем поворота намагниченности на 90 °, а не переключения намагниченности на 180 °.Этот результат отличался от изменения GMR в конфигурации I, где переключение намагниченности на 180 ° происходит из-за настройки коэрцитивного поля E-полем, что приводит к максимальному изменению сопротивления на 3%.

4. Управление электронным полем обменного смещения в антиферромагнитных / ферромагнитных / сегнетоэлектрических мультиферроидных гетероструктурах

Ранее мы продемонстрировали, что деформационное взаимодействие МЭ в мультиферроидных композитах приводит к индуцированной электрическим полем магнитной анизотропии, которая приводит к изменению ФМР и магнитосопротивление.Его можно использовать для перестраиваемых устройств спинтроники и СВЧ. Однако в системах хранения информации, таких как MERAM, требуется детерминированное переключение намагниченности на 180 °. В мультиферроичных системах с обменной связью сообщалось, что ферромагнитный порядок переключается путем изменения соседних антиферромагнитных порядков. Например, Борисов и др. [39] продемонстрировал в 2005 г., что перпендикулярным обменным полем смещения МЭ гетероструктуры [Co / Pt] × 3] / Cr ₂ O ₃ (111) можно управлять с помощью электронного поля и охлаждения магнитным полем.Кроме того, индуцированный E-полем обменный сдвиг смещения в мультиферроидных гетероструктурах NiFe / YMnO ₃ , приводящий к одностороннему переключению намагниченности, также был продемонстрирован Лаухиным и др. При очень низких температурах. [40]. Здесь мы показываем модулированное электронным полем обменное смещение и реализацию динамического переключения намагниченности около 180 ° при комнатной температуре в новых мультиферроичных гетероструктурах FeMn / Ni ₈₀ Fe _{антиферромагнетик (AFM) / ферромагнетик (FM) / сегнетоэлектрик (FE). 20} / FeGaB / PZN-PT (011).Регулировка обменного смещения E-полем и детерминированное переключение намагниченности около 180 ° при комнатной температуре в мультиферроичных гетероструктурах AFM / FM / FE открывают новый путь для MERAM и других технологий памяти [25].

В нашей работе обменно-связанные пленки Ta (5 нм) / FeMn (15 нм) / Ni ₈₀ Fe ₂₀ (2 нм) / FeGaB (14 нм) / Ta (20 нм) были нанесены на (011) вырезать монокристаллические подложки FE PZN-PT (011) с помощью магнетронного распыления. Аморфная пленка FeGaB с большой константой магнитострикции 70 ppm была выбрана в качестве ФМ фазы [38].Пленка FeMn с ориентацией (111) была нанесена в качестве слоя AFM, чему способствовало введение слоя Ni ₈₀ Fe ₂₀ толщиной 2 нм между FeGaB и FeMn, чтобы вызвать сильную обменную связь в FeMn / Ni ₈₀ Fe ₂₀ / FeGaB многослойный. Пленка FeGaB осаждалась в присутствии магнитного поля, которое приводило к расположению в плоскости легкой оси магнитного поля либо вдоль плоскости [100] ( d ₃₁ ) (конфигурация I) или [01-1] ( d ₃₂ ) ПЗН-ПТ (конфигурация II).представлена ​​зависимость петель магнитного гистерезиса от поля E для обеих конфигураций. При нулевом E-поле поле обменного смещения 48 Э наблюдалось в петле магнитного гистерезиса для конфигурации I при θ = 0 ° ( a ). При приложении электрических полей через направление толщины подложки PZN-PT (011) намагниченность FeGaB оказывается трудно насыщаемой. Это в основном возникает для индуцированного электрическим полем отрицательного H _eff в направлении [100].Также наблюдалось небольшое уменьшение обменного смещения Δ H _ex = -4 Э. Когда внешнее магнитное поле было приложено вдоль θ = 55 °, наблюдалась гораздо более выраженная зависимость обменного смещения от E-поля, демонстрирующая заметный сдвиг обменного смещения вниз от 45 до 3 Э при приложенном E-поле 6 кВ см ⁻¹ , как показано в b . При θ = 90 ° петли магнитного гистерезиса приобретают квадратную форму из-за индуцированной электрическим полем положительной эффективной магнитной анизотропии вдоль направления [01-1], которая сопровождалась незначительным изменением поля обменного смещения.В конфигурации II наблюдается противоположная тенденция петель магнитного гистерезиса и сдвигов обменного смещения при изменении электрического поля. Магнитное поле, индуцированное E-полем, вдоль легкой оси магнитного поля было получено без заметного изменения полей обменного смещения для θ = 0 °, как показано на d . Однако для θ = 45 ° и 60 °, значительные улучшения H _ex с 33 до 50 Э и с 22 до 70 Э с Δ H _ex / H _ex = 218 % были достигнуты соответственно, как показано в e , f .

( a – c ) Зависимость петель магнитного гистерезиса от электрического поля в конфигурации I для θ = 0 °, 55 °, 90 °. ( d – f ) Зависимость петель магнитного гистерезиса от электрического поля в конфигурации II для θ = 0 °, 45 °, 60 °. (Онлайн-версия в цвете.)

отображает угловую зависимость обменного смещения H _ex при различных E-полях для обеих конфигураций I и II. Сильная угловая зависимость обменного смещения θ H _ex от E-поля наблюдалась при промежуточных углах θ между 0 ° и 90 °.Максимальное изменение обменного поля, вызванное E-полем Δ H _ex = -42 Э, наблюдалось при θ = 55 ° для конфигурации I, как показано в a , тогда как значительное увеличение Δ H _ex до 48 Э достигается, как показано в b , для конфигурации II. Чтобы дополнительно подтвердить повторяемость сдвига поля обменного смещения при различных E-полях, поле обменного смещения в зависимости от числа переключений E-поля показано в c при 0 и 6 кВ см ^-1 , что указывает на надежность и повторяемость Сдвиг обменного смещения, индуцированный электронным полем.

Угловая зависимость обменного смещения при различных E-полях. ( a ) Корреляция обменного смещения с E-полем в конфигурации I. Линия стрелки указывает на заметное смещение вниз обменного смещения, вызванное E-полем, до 42 Oe при θ = 55 °. ( b ) Корреляция обменного смещения с E-полем в конфигурации II. Стрелка показывает значительный сдвиг вверх, вызванный электронным полем, до 48 Э или 218% при θ = 60 °. ( c ) Поле обменного смещения в зависимости от числа переключений E-полей между 6 (кружки) и 0 кВ см ^-1 (квадраты).(Онлайн-версия в цвете.)

Гигантская зависимость обменного смещения от электрического поля в гетероструктурах AFM / FM / FE предоставляет большие возможности для реализации электрически детерминированного переключения намагниченности в пленке FeGaB, что составляет один важный шаг к MERAM и имеет большой потенциал. в области электронной записи новых устройств спинтроники и памяти [25].

5. Электрическая энергонезависимая настройка магнитных состояний в слоистых мультиферроидных гетероструктурах

Энергонезависимая коммутация намагниченности имеет большое фундаментальное значение для устройств спинтроники и систем хранения информации.Обычно это реализуется путем приложения магнитных полей, которые создаются большими электрическими токами, или, в последнее время, с эффектом вращающего момента путем пропускания поляризованного по спину тока через магнитную пленку. Оба метода требуют большого тока или плотности тока, что делает систему громоздкой, шумной и потребляет много энергии. Следовательно, энергоэффективный способ энергонезависимого переключения намагниченности, индуцированного напряжением или электрическим полем, вызвал большой интерес в последнее десятилетие. Хорошо известно, что индуцированные электрическим полем фазовые переходы очень заметны в сегнетоэлектрических материалах с составом вблизи морфотропной границы раздела фаз.Например, ромбоэдрический фазовый переход в ромбический происходит в (011) -ориентированном PZN (6–7%) – ПТ при достаточных полинговых полях. Большинство таких фазовых переходов являются энергонезависимыми, когда требуется дополнительная энергия для преодоления остаточных состояний, чтобы вернуться в исходные состояния. Следовательно, ожидается изменение решетки гистерезисного типа как функция E-поля. Этот эффект может быть использован для реализации энергонезависимых устройств спинтроники и СВЧ на основе мультиферроидных гетероструктур.

В нашей работе мы наносили пленки FeGaB толщиной 50 нм на подложки PZN-PT с ориентацией (011).Электрическое поле прикладывалось вне плоскости [011], тогда как внешнее магнитное поле прикладывалось в направлении [01-1]. Спектры ФМР пленок FeGaB были измерены в режимах развертки поля и частоты. Положительное значение H _eff ожидается из-за положительной магнитострикции FeGaB и деформации растяжения, вызванной E-полем, вдоль направления [01-1], что может привести к FMR в высокочастотную область или к низкочастотной области магнитного поля. – или режим подметания соответственно.показаны петли гистерезиса поля FMR в зависимости от E-поля с рабочей частотой 12 ГГц и частоты FMR в зависимости от E-поля с магнитным полем смещения 50 Oe. Оба они демонстрируют линейную корреляцию при низких электрических полях, что указывает на отсутствие сегнетоэлектрического фазового перехода в PZN-PT (011). Когда электрическое поле достигает критического порога E _c1 ∼5,8 кВ см ⁻¹ , наблюдаются внезапные изменения как резонансного поля, так и частоты, что указывает на появление фазового перехода с резким изменением решетки и гигантской МЭ-связи. эффект.В сильном электрическом поле поле и частота FMR насыщаются с небольшим изменением деформации. При уменьшении электрического поля с 8 кВ см ^-1 , орторомбическая фаза и состояние деформации остаются достаточно стабильными до тех пор, пока не будет достигнуто другое критическое поле E _c2 ∼3 кВ см ^-1 . Симметричное поведение возникает при приложении отрицательного электрического поля от 0 до -8 кВ см ^-1 . Такой гистерезисный тип управления напряжением и магнитным состоянием Э-полем дает возможность реализовать энергонезависимое переключение ФМР, что чрезвычайно важно в реконфигурируемых МЭ СВЧ-устройствах.

Петли гистерезиса E-поля в зависимости от частоты FMR, измеренные при подмагничивающем магнитном поле 50 Э (кружки) и E-поля в зависимости от поля FMR с рабочей частотой 12 ГГц (квадраты) в гетероструктурах FeGaB / PZN-PT (011). Электрическое поле прикладывалось в направлении вне плоскости [011], а магнитное поле прикладывалось в плоскости вдоль направления [01-1]. (Онлайн-версия в цвете.)

Настройка намагниченности E-field и энергонезависимое переключение намагниченности в FeGaB / PZN-PT (011) показаны на.Изменение нормированных петель магнитного гистерезиса FeGaB / PZN-PT (011) при различных электрических полях ( a ) означает, что создается большое отрицательное напряжение, индуцированное электрическим полем H _eff , что затрудняет насыщение намагниченности в направление [100]. Когда внешнее магнитное смещение 200 Э было приложено вдоль направления [100], наблюдалась петля гистерезиса намагниченности как функции электрического поля, как показано в b , что согласуется с индуцированным электрическим полем ФМР. петли гистерезиса.Это указывает на то, что имеет место обратимое и стабильное изменение решетки из-за фазового перехода в PZN-PT, что приводит к двум состояниям остаточной намагниченности. Энергонезависимое переключение намагниченности между двумя состояниями остаточной намагниченности продемонстрировано в c . В качестве смещения прикладывается электрическое поле 5 кВ см ^-1 . Импульсы поля (менее 1 с) 3 и 7 кВ см ^-1 прикладываются попеременно с периодом 75 с. При приложении импульса электрического поля 3 кВ см ^-1 намагниченность в FeGaB увеличивается и остается на высоком уровне намагниченности 95%.Напротив, коэффициент намагничивания уменьшается и остается на уровне 35% при приложении импульса электрического поля 7 кВ см ^-1 . Таким образом, в FeGaB было реализовано динамическое переключение намагниченности под действием импульса электрического поля. Этот тип переключения намагниченности памяти приведет к энергонезависимой настройке FMR с высокой энергоэффективностью.

( a ) Зависимость петель магнитного гистерезиса FeGaB / PZN-PT (011) от E-поля, где магнитное поле направлено вдоль направления [100]. ( b ) Петля гистерезиса намагниченности в зависимости от E-поля FeGaB при магнитном поле смещения 200 Э, когда подложка PZN-PT претерпевает фазовый переход.( c ) Энергонезависимое переключение намагниченности, индуцированное импульсным напряжением электрического поля. (Онлайн-версия в цвете.)

6. Резюме

Управление электрическим полем магнитных состояний, включая магнитную анизотропию, ФМР, магнитосопротивление, обменное смещение, а также энергонезависимое переключение намагниченности, было успешно продемонстрировано в мультиферроидных гетероструктурах. Гигантский диапазон FMR с регулируемым полем и частотой с малой шириной линии, наблюдаемый в металлических ферромагнитных / сегнетоэлектрических гетероструктурах и гетероструктурах из феррита / сегнетоэлектрика, осажденных методом спинового напыления, открывает большие возможности для следующего поколения электростатически настраиваемых микроволновых устройств, таких как фильтры, фазовращатели, резонаторы и т. Д. и т.п.В устройствах с настраиваемым мультиферроиком магнитосопротивление сопротивление модулировалось в зависимости от электрического поворота направлений намагничивания путем приложения напряжения, а не приложения магнитного поля или тока. Эта концепция и конструкция удовлетворяют постоянно растущим требованиям к более быстрой, компактной и сверхмалой мощности электроники и имеют большое влияние на область исследований устройств магнитосопротивления. В мультиферроидных гетероструктурах с обменной связью, 180-градусное детерминированное переключение намагниченности в ферромагнитных слоях было реализовано посредством электрической настройки обменной связи.Это индуцированное электрическим полем 180 ° детерминированное переключение намагниченности необходимо для MERAM, где магнитные биты переключаются электрическим полем. В этом обзоре также представлены некоторые предварительные результаты по электрически индуцированному энергонезависимому переключению намагниченности, в котором импульс напряжения может переключать намагниченность самостоятельно. Одним словом, эффекты регулируемых по напряжению магнитных состояний в мультиферроидных гетероструктурах оказываются чрезвычайно значительными, что демонстрирует большой потенциал для создания небольших, более быстрых, сверхмалых мощных электронных и микроволновых устройств.

Финансовые отчеты

Эта работа финансируется AFRL через UES FA8650-090-D-5037, NSF в соответствии с номерами грантов. 0746810; и 0824008.

Ссылки