繆峰合作團隊：層狀材料的應力調控為低功耗磁存儲提供新思路(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2020-10-16

鐵磁材料具有非易失性的磁性狀態，是用來實現信息存儲的理想載體。通過外場對其進行調控，并實現可控的磁性狀態變化，是磁存儲器件工作的物理基礎。在眾多外場調控手段中，應變調控可以在較大范圍內改變材料的晶格結構，有望為實現新機制磁存儲提供新思路。同時，二維層狀磁性材料（CrI3, Cr2Ge2Te6 和 Fe3GeTe2等）因其獨特的物性受到廣泛關注。這類材料在器件小型化上擁有天然的優勢，并易于產生應變調控，是應變電子學研究理想的材料體系。

 

南京大學物理學院繆峰團隊（https://nano.nju.edu.cn）長期從事二維層狀材料的量子調控與器件應用研究。近日，繆峰團隊利用面內單軸應力，對層狀磁性材料Fe3GeTe2（FGT）的磁性狀態進行原位調控，在實驗上實現了超靈敏的磁矩翻轉；團隊還進一步和中國人民大學季威團隊開展合作，對FGT中磁性狀態的應變調控機制進行了理論分析和解釋。該工作展現了利用應變來實現層狀磁性材料物性調控的獨特優勢，并為低功耗磁存儲器件研究提供了新的思路。相關研究成果以《Strain-sensitive magnetization reversal of van der Waals magnet》（范德瓦爾斯磁性材料的靈敏應變磁翻轉）為題，于2020年9月13日發表在期刊《先進材料》（Advanced Materials）（論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004533），南京大學物理學院博士生王雨、中國人民大學博士生王聰以及南京大學物理學院副研究員梁世軍為論文共同第一作者，南京大學繆峰教授、程斌副研究員和中國人民大學季威教授為該工作的共同通訊作者，新澤西州立大學S. W. Cheong教授為該工作提供了實驗材料的支持。該工作得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金等項目的資助，以及微結構科學與技術協同創新中心的支持。

 

在實驗中，團隊首先在聚酰亞胺（PI）柔性襯底上制備了Fe3GeTe2（FGT）器件（圖1a、1b），利用自主研發的三端應變裝置對器件進行原位單軸應變調控（圖1c），并通過反常霍爾效應來觀測樣品的磁矩變化。同時，由于該應變裝置可集成在制冷機插桿上，可在極低溫（1.5 K）和強磁場（12 T）的極端條件下進行測試。在1.5 K時，通過研究不同應變強度下的霍爾電阻Rxy和磁場B的關系（圖1d），發現磁滯窗口會隨著應變的增強而逐漸變大。當應變增加到0.32%時，矯頑場增加了約150%，顯示應變對磁性顯著的調節作用（圖1e）。

圖1. （a）Fe3GeTe2晶格結構圖；（b）柔性襯底器件的光學照片；（c）原位應變裝置示意圖；（d）1.5K時不同應變對應的磁滯回線；（e）不同應變下矯頑場的變化曲線。

圖2.（a）在不同應變強度下，居里溫度的變化。其中居里溫度由曲線拐點確定；（b）在0.14%應變下，隨著溫度的升高，樣品從單磁疇態轉變為多磁疇態；（c）樣品在應變強度和溫度下的相圖。

 

研究成員還研究了FGT樣品在應變-溫度平面的相圖。首先，研究成員在不同應變下對霍爾電阻Rxy進行變溫測量，并通過Rxy為零的轉折點確定居里溫度Tc。結果顯示隨著應變的增加，Tc得到了顯著的提升（圖2a）。隨后，研究成員通過不同應變下的磁滯回線隨溫度的變化獲得迷宮型多磁疇態和單磁疇態之間的轉變溫度Tl。例如，當應變固定在0.14%時，磁滯回線在120K以下時呈現矩形，而在120K以上時呈現出不規則形狀，實現了單磁疇態和迷宮型多磁疇態的轉變（圖2b）。基于上述居里溫度Tc、磁疇轉變溫度（Tl）同應變的依賴關系，研究人員得到了單磁疇態、多磁疇態以及順磁態在應變-溫度平面的邊界，并繪制了相圖（圖2c）。相圖顯示隨著應力的增加，Tc近乎線性地增長，而Tl則會先增加然后趨于飽和。由于層狀材料一般具有較大的應變承受能力，因此可以預期FGT樣品的Tc在大應變調控下可以實現大幅的增長。

 

合作團隊進一步利用第一性原理計算了FGT樣品中的磁各向異性能（Magnetic anisotropy energy）以及磁交換作用（spin-exchange coupling）同單軸應變的關系。計算顯示，磁各向異性能隨著應變的增加會顯著上升，并在超過0.6%的應變強度后開始下降（圖3a），這與實驗中觀測到的矯頑場同應變的關系一致。另一方面，磁交換作用在應變下并沒有顯著的改變（圖3b、3c）。計算結果表明，實驗中觀測到的應變調控行為來自于磁各向異性能的變化，這主要歸因于在晶格形變時FGT樣品中自旋軌道耦合效應的增強。

圖3. （a）磁各向異性能隨著單軸應力的變化曲線；（b）Fe3GeTe2晶格中磁交換作用的示意圖；（c）磁交換作用隨著單軸應力的變化曲線。

最后，研究人員實現了應變輔助的磁翻轉。研究人員先通過磁場控制磁矩的初始狀態，再通過應變的調控來改變磁滯窗口的大小（圖4a）。當矯頑場絕對值小于反向施加的磁場時，磁矩會失穩并翻轉到與磁場同向的狀態（圖4b、4c）。值得一提的是，實驗中實現翻轉磁矩所需的應變改變量僅為～0.06%，展現了應變層狀材料體系在未來低功耗磁存儲技術領域的應用潛力。

圖4.（a）利用應變下矯頑場的改變，可實現應變輔助的磁翻轉；（b-c）在應變輔助下，分別實現磁矩從"上"往"下"和從"下"往"上"的翻轉。