磁隨機(jī)存儲器是新一代的非易失性存儲器。隨著存儲密度的增加，必須增強(qiáng)其中鐵磁薄膜的磁各向異性從而保持存儲單元相對較高的熱穩(wěn)定性，但是這將不可避免地增大其寫入電流密度和器件功耗。為此，研究者們提出了多種低功耗信息寫入方法，如自旋軌道轉(zhuǎn)矩、熱輔助，以及電壓調(diào)控磁各向異性（voltage control of magneti anisotropy, vcma）。在鐵電/鐵磁（fe/fm）磁電復(fù)合材料中，通過其磁電耦合效應(yīng)是一種實現(xiàn)強(qiáng)vcma的重要方法。它施加電壓而非電流，理論上漏電流可忽略不計，因此功耗極低。目前，這種強(qiáng)vcma效應(yīng)通常出現(xiàn)在塊體型磁電復(fù)合材料中，尤其是以弛豫鐵電單晶為襯底的復(fù)合材料。但是塊體磁電復(fù)合材料存在體積大、驅(qū)動電壓高、難集成等缺點。硅基兼容的磁電復(fù)合薄膜是開發(fā)高集成器件的材料基礎(chǔ)，但其vcma效應(yīng)比塊體要低1-2個數(shù)量級，限制了器件的應(yīng)用開發(fā)。
圖1 硅基兼容磁電復(fù)合薄膜的電壓調(diào)控磁各向異性 （a）薄膜光學(xué)照片（b）薄膜與塊體的擊穿強(qiáng)度對比（c）基于磁電復(fù)合薄膜的micro-fmr器件（d）電壓調(diào)控鐵磁共振響應(yīng) （e）磁電復(fù)合薄膜中的電壓誘導(dǎo)磁有效場 （f）傳統(tǒng)塊體材料中的電壓誘導(dǎo)磁有效場
針對這一問題，西安交通大學(xué)劉明教授團(tuán)隊提出構(gòu)建硅基兼容的、高擊穿強(qiáng)度的小尺寸磁電復(fù)合薄膜，充分利用小尺寸鐵電薄膜層強(qiáng)場大應(yīng)變增大磁電耦合響應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)vcma效應(yīng)的新思路。在實驗上，選擇典型的硅基鋯鈦酸鉛鐵電薄膜（經(jīng)典鐵電薄膜）和cofeb薄膜（典型鐵磁薄膜）復(fù)合。首先，采用溶膠凝膠法在鍍鉑硅片上制備出了擊穿強(qiáng)度高達(dá)3.2 mv/cm的pzt鐵電薄膜，進(jìn)而沉積cofeb薄膜層構(gòu)建磁電復(fù)合薄膜，并明確了pzt薄膜界面層增強(qiáng)擊穿強(qiáng)度的機(jī)制。其次，針對傳統(tǒng)方法（如鐵磁共振、振動樣品磁強(qiáng)計等）難以定量表征小尺寸磁電復(fù)合薄膜vcma效應(yīng)的問題，結(jié)合微納加工手段，建立了一種基于微型鐵磁共振器件測量薄膜強(qiáng)場vcma效應(yīng)的新方法，其靈敏度是商用振動樣品磁強(qiáng)計的60倍以上。然后，對比研究了該磁電復(fù)合薄膜和塊體型磁電復(fù)合材料（參照樣）的強(qiáng)場vcma效應(yīng)。實驗上，“pzt/cofeb”磁電復(fù)合薄膜的電壓誘導(dǎo)磁有效場(heff)可達(dá)26.1 oe，而參照樣“pzt陶瓷/cofeb”和“pmn-pt單晶/cofeb”的heff分別為2.60 oe和18.5 oe，該磁電復(fù)合薄膜也優(yōu)于之前“pmn-pt單晶/cofeb”的文獻(xiàn)報道值。理論上，該磁電復(fù)合薄膜中的heff在擊穿強(qiáng)度附近超過60 oe，這是由一個巨大的面內(nèi)壓電應(yīng)變s31<-0.3%誘導(dǎo)的，這一應(yīng)變可與當(dāng)前最好的鐵電單晶材料相媲美。
本研究提出并實現(xiàn)了一種增強(qiáng)磁電復(fù)合薄膜vcma效應(yīng)的普適方法。當(dāng)前除了pzt薄膜，其他高擊穿強(qiáng)度鐵電薄膜不斷涌現(xiàn)，部分體系的壓電性能遠(yuǎn)超pzt，這將促進(jìn)研究一系列vcma效應(yīng)優(yōu)于塊體的硅基兼容的磁電復(fù)合薄膜，推動開發(fā)低功耗、高集成的磁性和自旋電子器件。該研究以《面內(nèi)大壓電應(yīng)變增強(qiáng)硅基兼容磁電復(fù)合薄膜電壓調(diào)控磁各向異性》（large in‐plane piezo‐strain enhanced voltage control of magnetic anisotropy in si‐compatible multiferroic thin films）為題在國際著名期刊《材料視野》（materials horizons）在線發(fā)表。
西安交通大學(xué)為該論文第一作者和通信作者單位，論文第一作者為西安交大電信學(xué)部電子學(xué)院彭斌副教授、博士生魯琦和碩士生唐浩雯。西安交通大學(xué)劉明教授為論文通訊作者。西安交通大學(xué)周子堯教授，博士生程宇心、邱瑞玢、郭筠婷等為論文共同作者。
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劉明教授團(tuán)隊主頁：
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