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Nat. Commun.:利用氧离子型栅极实现室温下快速的磁电耦合

发布:guangdianzixue    |    2018-01-11 12:32    阅读:37
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12月18日,清华大学物理系于浦课题组在《自然·通讯》期刊上发表《利用氧离子型栅极实现磁电耦合》(“Electric field control of ferromagnetism through oxygen ionic gating”)的论文(Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-02359-6)。该研究利用具有较高氧迁移能力的SrCoO2.5外延薄膜与金属钴形成的异质结构,将氧离子型磁电耦合器件的工作温度降低至室温,并将响应速度提高四个数量级。该项成果对于克服离子型磁电耦合器件不耐高温、响应慢的缺点,对解决当前离子电子学、自旋电子学中的这个重要问题提供了新的途径。

长期以来,研究者一直在努力探索具有显著室温磁电耦合效应(即通过电场实现对于磁性的有效、可逆调控)的材料体系和物理效应。最近人们在金属-氧化物复合结构体系中通过电场控制金属内部的氧化、还原反应而实现了新型的磁电耦合效应。该机制的优势在于结构简单、调控有效,而且与现有的半导体技术具有良好的兼容性。但同时该机制也面临着两个明显的缺陷,首先是氧离子在金属内部的注入或抽取需要高温环境(约100 ℃)以促进离子的有效扩散。其次,为实现有效调控需要施加几十甚至上百秒的持续电场。以上问题极大地限制了离子型磁电耦合器件的实际器件应用。


(a) 不同电阻态下,氧离子栅极对钴金属层中磁各向异性调制的示意图。(b) 器件处于不同电阻态时的磁滞回线。

于浦所带领的研究团队在其近期关于双离子、三态调控(Nature, 2017, 546, 124, DOI: 10.1038/nature22389)的研究基础上,利用具有良好氧离子迁移特性的SrCoO2.5与金属钴(Co)组成异质结构,并通过利于电压控制氧离子在SrCoO2.5内部的快速迁徙,实现了氧离子型栅极对金属钴磁性的快速调制。该研究思路在保持原有方案的简洁、便利等优势前提下,将磁性的翻转速度大幅度提高到目前的亚毫秒量级,并且还有望通过优化器件构型进一步提高。

他们发现该磁电耦合效应还伴随着非易失性的双极性电阻转变效应,意味着可以在该简单模型单元上实现同时具有阻变存储和磁电耦合效应的多功能器件。作者表示,该项研究实现了离子电子学和自旋电子学的学科交叉,拓展出一种新型的离子器件研究思路。同时也进一步拓展了人们对于电场调控结构相变及相关物性的认识,为离子调控领域提供了重要的启发和借鉴。

来源:清华大学

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