Penalaan Medan Listrik Magnetisme Non-Volatil pada Paduan Setengah Logam Co2FeAl/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 Heterostruktur

Hasil dan Diskusi

Blok bangunan dasar dari heterostruktur CFA/PMN-PT dan sistem koordinat pengukuran magnetik statis dalam bidang masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1a, b. Medan piezostrain yang diinduksi medan listrik efektif (H _σ ) dan medan magnet anisotropi (H _k ) saling tegak lurus. Kami mendefinisikan medan magnet H diterapkan sepanjang arah [100] sebagai 0 °, sedangkan, arah [01-1] sebagai 90 ° [26]. Dari loop histeresis PMN-PT (P -E loop, 1 Hz) dan kurva regangan (S -E ), yang diukur dengan feroelektrik dan pengukur regangan pada Gambar. 1c, kita dapat melihat bahwa polarisasi saturasi PMN-PT adalah sekitar 25 μCcm ⁻² , dan medan koersif sekitar 100 V (2,5 KVcm ⁻¹ ). Gambar MFM diukur ketika medan magnet yang diterapkan 1000 Oe dihilangkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d. Daerah gelap dan terang menunjukkan pembentukan komponen magnetisasi out-of-plane. Akibatnya, sebuah array dari bentuk domain magnetik “naik dan turun” yang berosilasi, yang dikenal sebagai domain strip (SD), yang menunjukkan adanya anisotropi magnetik tegak lurus yang cukup besar [27].

Skema heterostruktur multiferroik CFA/PMN-PT (a ) dan skema sistem koordinat (b ). α , φ , dan θ adalah sudut dari medan piezostrain yang diinduksi medan listrik efektif (H _σ ), medan anisotropi magnetik (H _k ), dan magnetisasi (M _s ) sehubungan dengan total bidang efektif (H ₀ ), masing-masing. θ ₀ adalah sudut H _k sehubungan dengan medan magnet (H ). c Lingkaran histeresis (P -E loop, 1 Hz) dan kurva regangan (S -E ) substrat PMN-PT sepanjang [100] arah. d Gambar MFM khas film CFA

Loop histeresis magnetik dari heterostruktur CFA/PMN-PT diukur sepanjang arah [100] dan [01-1] di bawah medan listrik yang diterapkan sebesar ± 0 dan ± 5 kVcm ⁻¹ [11]. Medan listrik diterapkan dari atas ke bawah sebagai positif, jika tidak negatif. 0 dan + 0 kVcm ⁻¹ adalah status polarisasi sisa setelah medan listrik yang diterapkan sebesar 10 dan + 10 kVcm ⁻¹ dimatikan, masing-masing. Loop histeresis magnetik seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a menunjukkan anisotropi magnetik dalam bidang yang jelas. Garis biru mewakili arah magnetisasi yang mudah dari loop histeresis dalam bidang di sepanjang arah [100], dan magnetisasi remanen secara signifikan lebih kecil daripada magnetisasi saturasi. M -H loop dibentuk oleh dua proses magnetisasi:M -H kurva menunjukkan hubungan linier antara medan magnet yang diterapkan dari medan saturasi positif ke medan koersivitas negatif dan kebalikan dari M ketika H mencapai bidang koersivitas; M -H kurva kembali ke hubungan linier karena medan magnet yang diterapkan terus menurun, yang dapat dianggap bahwa film memiliki struktur domain garis. Garis merah menunjukkan arah magnetisasi keras, yang diukur sepanjang arah [01-1]. Gambar 2b menunjukkan loop histeresis dari struktur heterostruktur CFA/PMN-PT di bawah medan listrik E = 5 kVcm ⁻¹ . Dibandingkan dengan hasil seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, arah sumbu mudah berputar 90°, artinya berputar dari arah [100] ke [01-1] [28,29,30]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, garis biru bertepatan dengan garis merah, dan anisotropi magnetik dalam bidang menghilang di bawah keadaan polarisasi + 0 kVcm ⁻¹ . Sumbu mudah magnet kembali ke arah [100] saat medan listrik yang diterapkan terus berkurang hingga 5 kVcm ⁻¹ seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Untuk menyelidiki perubahan medan anisotropi magnetik dengan medan listrik yang berbeda, magnetisasi remanen pada sudut yang berbeda diukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e. Pada pengukuran ini sampel diputar dari 0° sampai 360° pada bidang datar dengan langkah 5°. Anisotropi magnetik dalam pesawat diukur dalam heterostruktur CFA/PMN-PT. Pada − 0 kVcm ⁻¹ , arah magnetisasi yang mudah dari kurva magnetisasi remanen dalam bidang adalah sepanjang arah [100]. Nilai magnetisasi remanen relatif (M _r /M _s ) secara signifikan lebih kecil dari 1, yang menunjukkan bagian dari momen magnet tidak koheren pengaturan. Dengan meningkatnya medan listrik menjadi + 2,5 kVcm ⁻¹ , anisotropi magnetik berkurang. Saat terus meningkatkan medan listrik hingga + 5 kVcm ⁻¹ , anisotropi magnetik dalam pesawat muncul kembali. Dibandingkan dengan kurva magnetisasi remanen pada 0 dan + 5 kVcm ⁻¹ , sumbu mudah berputar 90°, yang konsisten dengan hasil loop histeresis seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b. Hal ini dapat dikaitkan dengan efek piezostrain yang diinduksi oleh medan listrik, dan efek piezoelektrik PMN-PT akan menghasilkan anisotropi magnetik baru (anisotropi tegangan H _σ ) dalam heterostruktur CFA/PMN-PT. Anisotropi magnetik dari heterostruktur CFA/PMN-PT dipengaruhi oleh kombinasi H _σ dan H _k [31].

a–d Histeresis magnet berulang pada 0, 0, 5, dan 5 kVcm ⁻¹ , masing-masing. e Terukur M _r /M _s versus θ ₀ kurva di bawah berbagai medan listrik

Untuk memverifikasi efek piezostrain yang diinduksi oleh medan listrik, magnetisasi remanen dengan medan listrik yang diterapkan dalam arah [01-1] dan [100] diukur. Kami mengukur perubahan magnetisasi remanen dengan menyapu medan listrik setelah menghilangkan medan magnet saturasi 1200 Oe dalam arah [100] dan [01-1], masing-masing. Magnetisasi remanen seperti kupu-kupu asimetris versus medan listrik yang diterapkan diperoleh. Kita dapat menentukan bahwa remanen dari heterostruktur CFA/PMN-PT responsif terhadap medan listrik yang berbentuk kupu-kupu; M -E kurva diukur dengan menyapu medan listrik dari + 10 hingga 10 kVcm ⁻¹ pada Gambar. 3a, c. Respon ini simetris dengan kurva variasi tegangan dengan medan listrik, yang menunjukkan bahwa efek tegangan memainkan peran dominan dalam kontrol magnetik sampel. Perlu dicatat bahwa magnetisasi sisa dalam keadaan polarisasi sisa (± 0 kVcm ⁻¹ ) berbeda dari + 10 kVcm ⁻¹ ditunjukkan oleh huruf kapital A dan E pada Gambar. 3 dan 10 kVcm ⁻¹ ditunjukkan oleh B dan F, yang merupakan tegangan sisa dari substrat PMN-PT. Status polarisasi sisa adalah remanensi dari 0 kVcm ⁻¹ keadaan, yang diturunkan dari tegangan sisa substrat PMN-PT, dan tidak sama pada + 10 dan 10 kVcm ⁻¹ . Hal ini konsisten dengan regangan residual dari kurva regangan pada Gambar. 1c.

a , c Ketergantungan M _r /M _s medan listrik diukur dengan menyapu bentuk medan listrik + 10 hingga 10 kVcm ⁻¹ dalam arah [100] dan [01-1], masing-masing. b , d Ketergantungan M _r /M _s medan listrik diukur dengan menyapu medan listrik dari bentuk + 5 hingga 5 kVcm ⁻¹ dalam arah [100] dan [01-1], masing-masing. Angka dan panah menyatakan langkah dan arah pengukuran. Dan huruf kapital pada gambar ini menyatakan nilai M _r /M _s pada status polarisasi yang tersisa

Kami telah melakukan eksperimen tentang hubungan antara remanen dalam keadaan polarisasi tak jenuh (± 5 kVcm ⁻¹ ) dengan medan listrik dalam arah [100] dan [01-1], untuk mencerminkan kontrol medan listrik yang tidak mudah menguap. Dapat ditemukan bahwa perubahan remanen dengan medan listrik juga menunjukkan perubahan bentuk seperti loop, dan remanen sampel menunjukkan non-volatil yang baik, yang berasal dari tegangan polarisasi sisa di bawah tegangan positif. dan medan listrik negatif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, d. Ini memiliki prospek bagus untuk perangkat memori non-volatil yang tahan stres.

Untuk aplikasi memori magnetik, remanen non-volatil dalam medan listrik berdenyut tercapai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Medan listrik positif dan negatif intermiten ± 5 atau ± 10 kVcm ⁻¹ diterapkan di seluruh sampel dalam arah [100] dan [01-1]. Pertama, medan magnet diatur hingga 1200 Oe dan selanjutnya dikurangi menjadi 0. Kemudian medan listrik berdenyut pertama kali tertahan pada ± 5 kVcm ⁻¹ dalam arah [100] dan kemudian dikurangi menjadi 0 dengan hasil dari dua status polarisasi sisa yang ditunjukkan oleh huruf kapital A dan B pada Gambar 4a. Kasus serupa untuk ± 10 kVcm ⁻¹ juga diamati sebagai status polarisasi residual lainnya C dan D pada Gambar 4a, yang juga mencerminkan status non-volatil dalam sampel kami. Saat medan listrik berdenyut diterapkan ke 5 atau 10 kVcm ⁻¹ dan dikurangi menjadi 0 selanjutnya, kita dapat melihat bahwa remanensi relatif besar segera, dan ketika diterapkan pada 5 atau 10 kVcm ⁻¹ dan dikurangi menjadi 0 selanjutnya, remanen berkurang secara signifikan; fenomena ini dan nilai M _r /M _s konsisten dengan hasil Gambar 3a, b. Kami melakukan pengukuran serupa di arah lain sampel dan mendapatkan hasil yang serupa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Dapat dilihat bahwa empat keadaan magnet sisa yang berbeda dan stabil diaktifkan oleh dua medan listrik berdenyut. Empat keadaan resistif E, F, G, dan H dihasilkan oleh sakelar medan listrik berdenyut sebesar ± 5 dan ± 10 kVcm ⁻¹ dan kemudian langsung dihapus ke arah [01-1], masing-masing. Singkatnya, remanensi Co₂ FeAl/PMN-PT heterogen adalah kontrol stres dan dengan demikian mewujudkan remanensi multistatis di bawah medan listrik berdenyut, yang dapat digunakan untuk penyimpanan polimorfik.

Rasio magnetisasi sisa yang dinormalisasi M _r /M _s di bawah medan listrik berdenyut. a Perubahan M _r /M _s di bawah medan listrik berdenyut ± 5 dan ± 10 kVcm ⁻¹ sepanjang [100] arah, masing-masing. b Perubahan M _r /M _s di bawah medan listrik berdenyut ± 5 dan ± 10 kVcm ⁻¹ sepanjang [01-1] arah, masing-masing. Huruf kapital pada gambar ini mengungkapkan berbagai status polarisasi yang tersisa