清華大學于浦團隊Nat. Commun.：奇妙的氧離子柵極實現室溫下快速的磁電耦合

【引言】

在材料中實現有效的即磁電耦合，是實現下一代高速、低功率自旋電子器件的關鍵途徑之一。長期以來，研究者一直在努力探索具有顯著室溫磁電耦合效應（即通過電場實現對于磁性的有效、可逆調控）的材料體系和物理效應。最近人們在金屬-氧化物復合結構體系中通過電場控制金屬內部的氧化、還原反應而實現了基于氧離子遷移的磁電耦合效應。該機制的優勢在于結構簡單、調控有效，而且與現有的半導體技術具有良好的兼容性。但同時該機制也面臨著兩個明顯的缺陷，首先是氧離子在金屬內部的注入或抽取需要高溫環境（約100攝氏度）以促進離子的有效擴散。其次，為實現有效調控需要施加幾十甚至上百秒的持續電場。以上問題極大地限制了離子型磁電耦合器件的實際器件應用。

【成果簡介】

近日，來自清華大學的于浦教授 (通訊作者)等人在Nat. Commun.上發布了一篇關于磁性材料的文章，題為“Electric-field control of ferromagnetism through oxygen ion gating”。該工作通過電場調控氧離子柵極與磁性金屬界面處的磁相互作用，在室溫下實現了快速的磁電耦合效應和阻變存儲，使得氧離子型磁電耦合器件的工作速度得到了大幅度的提高。該工作實現了離子電子學和自旋電子學的學科交叉，拓展出一種新型的離子器件研究思路。
于浦教授的研究團隊在其近期關于雙離子、三態調控（Nature 546,124 (2017)）的研究基礎上，開創性的利用具有良好氧離子遷移特性的SrCoO_2.5與金屬鈷（Co）組成異質結構，并通過利于電壓控制氧離子在SrCoO2.5內部的快速遷徙，實現了氧離子型柵極對金屬鈷磁性的快速調制。該研究思路在保持原有方案的簡潔、便利等優勢前提下，將磁性的翻轉速度大幅度提高到目前的亞毫秒量級，并且還有望通過優化器件構型近一步提高。他們發現該磁電耦合效應還伴隨著非易失性的雙極性電阻轉變變效應，意味著可以在該簡單模型單元上實現同時具有阻變存儲和磁電耦合效應的多功能器件。

【圖片導讀】

圖1 Co/SrCoO_2.5原型器件的結構示意及阻變效應。

(a) Co/SrCoO_2.5原型器件的結構及原位MOKE測試示意圖；

(b) 器件的I-V特性曲線；

(c) 電阻變化隨脈沖電壓變化曲線；

(d) 電阻狀態隨脈沖寬度變化曲線。

圖2 Co/SrCoO_2.5中的室溫磁電耦合

(a) 不同Co厚度的Co/SrCoO_2.5器件的面內磁光克爾曲線；

(b-c) Co/SrCoO2.5器件在高電阻態(紅色)和低電阻態(海軍藍)狀態下的室溫磁滯回線；

(d) 不同阻態下，器件矯頑場的可逆調制。

圖3 Co/SrCoO_2.5的界面氧離子遷移

(a) 樣品橫截面低分辨率TEM圖像；

(b) 原始狀態下Co/SrCoO2.5異質界面的HRTEM圖像；

(c) 高電阻狀態下Co/SrCoO2.5異質界面的HRTEM圖像，界面處有富氧的無序層出現；

(d) 無序層的高分辨TEM圖像及FFT變換得到的相應衍射花樣；

(e) 低電阻狀態下Co/SrCoO2.5異質界面的HRTEM圖像；

(f) 導電通道處的高分辨TEM圖像及FFT變換得到的相應衍射花樣；

(g) 電場驅動下，異質界面處氧離子演化的示意圖；

(h) 界面處無序層和導電通道的Co L-edge EELS光譜。

圖4 氧離子柵極對Co金屬層的界面磁電耦合調控

(a) Co顆粒薄膜中磁性相互作用的示意；

(b) 氧離子柵極對Co層磁各向異性調制示意圖;

(c) Co/SrCoO_2.5異質結構中磁電耦合；

(d) 通過限流形成不同的低阻態，實現氧離子濃度相關的多態存儲。

【小結】

這篇文章介紹了Co/SrCoO_2.5異質結構作為模型系統，利用SrCoO_2.5內稟的高氧離子遷移率，實現了利用氧離子柵極在室溫下的快速磁電耦合。該成果將將離子型磁電耦合和離子型阻變效應結合在一起，實現了離子電子學、自旋電子學的交叉，構建了與現代半導體技術兼容的多功能器件。同時，該項研究進一步拓展了人們對于電場調控結構相變及相關物性的認識，為離子調控領域提供了重要的啟發和借鑒。

【團隊介紹】

清華大學物理系于浦副教授為該文章的通訊作者。物理系博士后李好博為第一作者。合作者包括清華大學材料學院南策文、馬靜研究組、物理所谷林研究組、金魁研究組和南開大學的劉暉研究組。該課題是在科技部、自然科學基金委、清華大學自主科研計劃、低維量子物理國家重點實驗室和北京未來芯片技術高精尖創新中心等經費的支持下完成。

文獻鏈接：Electric-field control of ferromagnetism through oxygen ion gating (Nat. Commun., 21 December, 2017 , DOI: 10.1038/s41467-017-02359-6）

本文由材料人編輯部學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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