電壓調控磁各向異性

電壓調控磁各向異性

磁各向異性是指物質的磁性隨方向而變的現象。主要表現為弱磁體的磁化率及鐵磁體的磁化曲線隨磁化方向而變。鐵磁體的磁各向異性尤為突出，是鐵磁體的基本磁性之一，表示飽和（或自發）磁化在不同晶體方向時自由能密度不同。磁各向異性來源於磁晶體的各向異性。電壓調控磁各向異性是指通過電壓來調控物質的磁性隨方向而變的現象。

基本介紹

  • 中文名：電壓調控磁各向異性
  • 外文名：Voltage regulation magnetic anisotropy 
  • 含義：電壓來調控物質磁性隨方向而變
  • 表現：為弱磁體的磁化率及鐵磁體的磁
簡介,研究,離子液體電場原位調控測試,離子液體對磁各向異性原位可逆電壓調控測試,電壓調控機理分析,電化學反應主導的不可逆磁各向異性電壓調控,

簡介

多功能、低功耗、微型化、易集成和超快回響已成為電子元器件設計與開發的必然要求。利用新型磁電耦合效應，即通過電場誘導磁有序或者通過磁場改變電極化是實現這一目標的有效途徑之一。特別是在超薄磁性材料的界面或表面，利用電荷或晶格在納米尺度範圍內對自旋進行重構，可實現顯著的磁性調控。而這一效應在塊狀磁性材料中是無法實現的。離子液體，作為一種可在界面/表面產生雙電層結構在界面出可形成極高電荷濃度（10/cm）的電解液，可對超薄膜表層的電子云密度、能帶結構、自旋、軌道等產生極大影響，進而變巨觀物性。然而，離子液體磁電耦合效應原位測量及定量表征困難給該領域的進一步帶來嚴峻的挑戰。

研究

西安交通大學電信學院電子系劉明教授課題組採用電子順磁共振波譜儀對調控過程進行精確、可控、可重複的原位定量測量。該測量手段是基於鐵磁共振原理，即利用磁矩在外磁場作用下進動頻率與微波頻率一致時的共振吸收現象對磁性變化進行定量表征。該測量方式為靜態無損測量，由高Q值的微波諧振腔和用於弱信號檢測的鎖相放大系統共同作用，具有測量精度高（<1Oe），可在三維空間定量確定磁各向異性場的分布等特點。在室溫下，1.5V的低電壓調製可以在Au/[DEME]+[TFSI]-/Co類場效應管結構中離子液體與磁性金屬界面處實現高達219Oe的可逆的磁各向異性變化，對應著破紀錄的高達146Oe/V的磁電耦合係數。這種離子液體輔助實現強界面磁電耦合有著廣泛的套用價值，為電子與自旋電子器件的構建與實現，微波信號處理器的研製與套用打下堅實的基礎。

離子液體電場原位調控測試

（a）離子液體電場調控效果通過電子順磁共振（ElectronParamagneticResonanceSpectrum，EPR）原位定量表征出來，可以通過轉角測量測的磁性調控的空間信息；樣品腔內充滿乾燥氮氣，所有測試在室溫下完成；
離子液體電場原位調控測試原理示意圖離子液體電場原位調控測試原理示意圖
（b）Au/[[DEME]+[TFSI]-/Co結構中離子液體的電化學視窗測試，根據電流大小將兩極電壓劃分為I靜電摻雜區（電化學視窗內）和II電化學反應區（電化學視窗外）；
（c）（d）I靜電摻雜和II電化學反應過程中離子液體和磁性薄膜界面雙電層（Electricdoublelayers，EDL）的狀態示意圖，在II區雙電層的界面存在明顯的電化學腐蝕；

離子液體對磁各向異性原位可逆電壓調控測試

（a）施加1.5V電壓前後Au/[DEME]+[TFSI]-/Co結構鐵磁共振場隨角度的依賴關係，外磁場平行於Co膜面時的位置定義為0度；
離子液體對Co膜磁各向異性原位可逆電壓調控測試離子液體對Co膜磁各向異性原位可逆電壓調控測試
（b）在60度，Au/[DEME]+[TFSI]-/Co結構的鐵磁共振強度（dP/dH）隨外磁場和外加電場的變化，其中黃線表示鐵磁共振場Hr（dP/dH=0）隨外電場變化關係；在1.5V可以實現88Oe的鐵磁共振位移，對應著59Oe/V的磁電耦合係數；在70度化學視窗內的磁電耦合係數更是高達146Oe/V（見supportinginformation）；
（c）Au/[DEME]+[TFSI]-/Co結構鐵磁共振場隨外加電場的變化，該電壓範圍內調控作用可逆；
（d）Au/[DEME]+[TFSI]-/Co結構鐵磁共振場隨外電場的可逆往復調控；
（e）1.5V外電壓作用8小時後，共振場仍然可以被可逆往復調控；

電壓調控機理分析

Au/[DEME]+[TFSI]-/Co結構初始態如右圖（a）所示，當施加的正向電壓在I區內時，界面雙電層處積累的高電荷濃度使得薄膜的磁矩向面內方向移動，如右圖（b），當電壓降回0V時回到初始態，當施加副電壓時磁矩沒有變化，如右圖（c），這可能是由於離子液體中陰陽離子的結構不同導致界面電場的差異；當外加電壓超出電化學視窗，進入II電化學反應控制區，界面處的電化學腐蝕使得Co本身的厚度減小，表面各向異性增大，共振場減小，磁矩轉向面內，如右圖（d）；此時界面出生成了附著層，因而電壓回到0V及再施加反向電壓的過程中不能實現磁矩方向的可逆變化。
離子液體對Co膜磁各向異性電壓調控機理分析離子液體對Co膜磁各向異性電壓調控機理分析

電化學反應主導的不可逆磁各向異性電壓調控

（a）在60度，電子順磁共振波譜儀對Au/[DEME]+[TFSI]-/Co結構鐵磁共振強度隨外加電場以及磁場的變化，5V的外加電壓實現了415Oe的鐵磁共振位移；
室溫電化學反應主導的不可逆磁各向異性電壓調控室溫電化學反應主導的不可逆磁各向異性電壓調控
（b）鐵磁共振場Hr隨外加電壓的變化，對應（a）中的黑線；
（c）Au/[DEME]+[TFSI]-/Co結構鐵磁共振場隨外電場的不可逆往復調控；
（d）與（e）面內和面外方向非原位離子液體對Co膜電場調控效果測量。

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