Anisotrop stam i (011)-orienterad PMN-PT. (A) Kartesiska koordinater x, y och z definieras som kristallriktningarna [100],[011¯], respektive [011]. Polarisationsriktningar i (011)-orienterad PMN-PT-enhetscell, grupperad i romboedrisk in-plane (RIP; orange), romboedrisk uppåt (RUP; blå) och ortorombisk uppåt (OUP; lila). Rhombohedral down (RDOWN) och ortorhombic down (ODOWN) visas inte men är, respektive, RUP och OUP speglade kring xy-planet. Planet skär genom enhetscellen (skuggat grått område) är rektangulärt med sidor av längden a2–√av a, där a är gitterparametern. (B) Elektrostriktiva deformationer (ej skalenliga) av enhetscellen för de kubiska (noll FE-polarisation), RIP-, RUP- och OUP-polarisationsgrupperna. Dundeformationerna är identiska med uppåt. Projektioner i planet av polarisationsvektorer visas för RIP (ljus orange) och RUP (ljusblå). (C) Plots av linjära elektrostriktionsstammar εxx och εyy och den anisotropa stammen εxx − εyy för RIP-, RUP- och OUP-polarisationsgrupper. Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Töjningsmedierad magnetisk koppling i ferroelektriska och ferromagnetiska heterostrukturer kan erbjuda en unik möjlighet för vetenskaplig forskning inom lågeffekts multifunktionella enheter. Ferroelektrik är material som kan upprätthålla spontan och reversibel elektrisk polarisation. Relaxor-ferroelektrik som uppvisar hög elektrostriktion är idealiska kandidater för ferroelektriska skiktkonstruktioner på grund av deras stora piezoelektricitet. Även om egenskaperna hos relaxor-ferroelektriker är kända, förblir deras mekanistiska ursprung ett mysterium, vilket ger upphov till en gåtfull form av material. Utöver det är tunna filmer ineffektiva från substratklämning och kan avsevärt minska piezoelektriska spänningar i planet. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Shane Lindemann och ett forskarteam inom materialvetenskap och fysik i USA och Korea, visade magnetoelektrisk lågspänningskoppling i en heterostruktur av helt tunnfilm med användning av anisotropa spänningar inducerade av materialets orientering. Teamet använde ett idealiskt ferroelektriskt lager av Pb(Mg1/3 OBS2/3 )O3 –PbTiO3 förkortade PMN-PT under detta arbete och kopplade det med ferromagnetiska nickelöverskikt för att skapa membranheterostrukturer med magnetisering. Med hjälp av skanningstransmissionselektronmikroskopi och fasfältsimuleringar klargjorde de membransvaret för att förstå det mikrostrukturella beteendet hos PMN-PT-tunna filmer, för att sedan använda dem i piezodrivna magnetoelektriska heterostrukturer.
Magnetoelektrisk (ME) koppling
Den elektriska fältkontrollen av magnetism, även känd som omvänd magnetoelektrisk koppling, har potential för nästa generations minneslagring och avkänningsteknologier. PMN-PT-materialet är av intresse som ett relaxor-ferroelektriskt material för tillämpningar som det ferroelektriska skiktet med en stor piezoelektrisk sammansättning. Genom att koppla relaxor-ferroelektriken med en ferromagnet som innehåller stor magnetostriktion, kan omvänd ME-koppling uppnås genom att överföra spänningsinducerad töjning från det ferroelektriska skiktet till det ferromagnetiska skiktet för att resultera i töjningsmedierad styrning av anisotropi i planet, tunnelmagnetoresistans , ferromagnetisk resonans och konduktivitet. Den senaste tidens strävan mot lågeffekt ME-enheter och utvecklingen av mikro- och nanoelektromekaniska system har lett till ytterligare studier av relaxor-ferroelektriska tunna filmer. Att minska tunnfilmsdimensionerna hos relaxor-ferroelektriska komponenter kan inducera en stor minskning av piezoelektricitet på grund av mekanisk fastspänning, och forskare strävar därför efter att övervinna denna utmaning framgångsrikt för att integrera relaxor-ferroelektriska tunna filmer i högpresterande enheter. I detta arbete har Lindemann et al. övervann klämproblemet och demonstrerade lågspänningstöjningsmedierad ME-koppling i helt tunnfilmsheterostrukturer. Arbetet lyfte fram den mikroskopiska karaktären hos relaxor-ferroelektriska tunna filmer för att presentera ett avgörande steg mot deras tillämpningar i lågeffekt piezodrivna magnetoelektriska enheter.
Tillverkning av enkristall (011)-orienterade PMN-PT-membranheterostrukturer. (A) Initial tunnfilmsheterostruktur bestående av PLD-odlade SAO/STO-lager och sputterdeponerade SRO/PMN-PT/Pt-lager. (B) Efter att ha fäst heterostrukturens Pt-sida i PDMS/glas etsas SAO-offerskiktet av H2O. (C) Efter avlägsnande av STO-buffertskiktet deponeras Ni genom sputtering följt av mönstring av Ni/SRO-skikten till 160 μm cirklar. Membranens heterostruktur kompletteras genom tillägg av SU-8-skyddsskiktet och Au-lifted elektrodskiktet. (D) SEM-bild som visar den färdiga membrananordningen. Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Lindemann et al. mätte de töjningsinducerade förändringarna av magnetisk anisotropi i nickelöverskiktet med hjälp av longitudinella magneto-optiska Kerr-effekt (MOKE) hysteresloopar, som en funktion av elektriska PMN-PT-förspänningsfält. De visade sedan betydelsen av att ta bort mekanisk klämning av substratet för att uppnå stora anisotropa spänningar i planet. För att sedan förstå töjningsbeteendet som härleds från den magneto-optiska Kerr-effekthysteresen, Lindeman et al. plottade den beräknade magnetiska anisotropin energitätheten, bestämd från mättnadsfältet för hårdaxelslingor, och den kända differentiella töjningen baserad på den kända magnetostriktionen av nickel. De bestämde sedan domänstrukturen för de växande PMN-PT-membranen med användning av sveptransmissionselektronmikroskopi. Det enkristallina materialet uppvisade en kolumnär struktur med gallerfelanpassning under filmens tillväxt. Fynden liknade en blandad ferroelektrisk och relaxordomänstruktur i överensstämmelse med den experimentella modellen.
Fasfältsimuleringar av PMN-PT-membran
För att sedan förstå stambeteendet hos PMN-PT-membranet utförde forskarna nästa fasfältsimuleringar. För att mäta den genomsnittliga töjningen, beräknade de töjningsbidraget från individuella spontana polarisationselement, multiplicerat med elektrostriktionstensorn. Utgångspunkten för simuleringen indikerade den förväntade strukturen runt det ferroelektriska avtrycket av det experimentella PMN-PT-membranet. Resultaten av simuleringen överensstämde kvalitativt med den experimentella stam och polarisationer som uppmätts i PMN-PT/nickelmembranet. Medan töjningarna beräknade från de experimentella MOKE-slingorna (magneto-optisk Kerr-effekt) uppvisade en horisontell och vertikal förskjutning i förhållande till de beräknade töjningarna från simulering, var de två kurvorna kvalitativt lika.
Magnetoelektriska (ME), ferroelektriska (FE) och piezoelektriska egenskaper hos PMN-PT-membranheterostrukturer. (A) MOKE magnetiska hysteresloopar (normaliserade) vid en serie elektriska fält från −140 kV/cm (−7 V) till 90 kV/cm (4,5 V). Mörka färger är närmare FE-avtrycket, och ljusare färger är längre från avtrycket. (B) Mättnadsmagnetfält (Hsat; vänster axel) och beräknad anisotropisk töjning (εxx − εyy; höger axel) kontra förspännande elektriskt fält extraherat från HA MOKE-hysteresloopar liknande de som visas vid elektriskt fält med hög förspänning i (A). Felstaplar representerar SD för mätningar av sju olika enheter på samma membran. Negativa differentiella töjningspunkter (εxx − εyy <0) extraherades från HA MOKE-slingor med magnetfält längs [011¯] och positiva punkter (εxx − εyy> 0) från slingor där magnetfält var längs [100]. (C) Polarisation (P) vs elektriska fält hysteres loop mätningar med 160-μm-diameter Ni/SRO toppelektrod. Den orange slingan mättes med en 30 kHz sinusformad spänningspuls. Den blå kurvan, märkt som 0,1 Hz, erhölls med användning av en kvasi-DC-mätningsprocedur (se Metoder). (D) Relativ permittivitet kontra förspännande elektriskt fält. Det elektriska förspänningsfältet sveptes vid 0,5 Hz och permittiviteten mättes med ett litet elektriskt AC-fält på 3,5 kV/cm RMS vid 4 kHz. För (B) till (D) läggs riktlinjer till för att separera beteendet i en lågfältsregion (nära FE-avtryck) och högfältsregioner. Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
STEM-analys av domäner som finns i PMN-PT-membranet. (A och B) Atomupplösning med hög vinkel ringformigt mörkt fält (HAADF)–STEM-bilder längs [011¯]pcand [100]pc-zonens axlar. Insättningarna är förstorade bilder i varje zonaxel. Rosa cirklar är katjoner på A-stället (Pb) och gula cirklar är katjoner på B-stället (Mg/Nb/Ti). Orange pilar är B-platsförskjutningen (δB). (C och D) B-plats katjonförskjutningskartläggning med överlagrade pilar som indikerar områden med kort räckvidd. Färgkartor visar atomförskjutningens storlek, och pilar visar riktningen för atomförskjutningen. (E och F) Fasfraktionskartläggning i varje enhetscell med färghjul genom förväntade B-platsförskjutningsriktningar för RIP (R1), ROP (R2) och regioner som har förskjutningar mellan R-tillstånden märkta som ortorombisk O1 och O2. Färgblanka regioner (icke) indikerar den opolära regionen under 7 pm av B-platsförskjutning. Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Fasfältsimuleringar av (011) PMN-PT-membranet. Spontan polarisation och [011] stereografisk projektion av PMN-PT-membranet vid (A och B) 0 kV/cm, (C och D) 10 kV/cm, (E och F) 20 kV/cm, och (G och H) ) 100 kV/cm. Legenden för färgning av spontan polarisering ingår i (A). (I) Genomsnittlig polarisation i x-, y- och z-riktningarna kontra applicerat fält. (J) Fältberoende för den genomsnittliga anisotropiska in-plane strainε¯xx−ε¯yy. I (I) och (J) har riktlinjer lagts till för att separera lågfälts- och högfältsregionerna. Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Outlook
På detta sätt visade Shane Lindemann och kollegor den lågspännings-, töjningsmedierade, magnetoelektriska (ME) effekten i en heterostruktur av helt tunn film. Filmen förlitade sig endast på de stora anisotropa stammarna som är inneboende i PMN-PT-tunna filmer. PMN-PT/nickelmembranet som användes i detta arbete uppnådde en robust, piezodriven, 90 graders rotation av den magnetiska anisotropin i planet av nickelskiktet under en liten förspänning för att resultera i töjningsanisotropi, kontrollerad av in- plan kristallsymmetri hos PMN-PT-filmen. Med hjälp av scanningstransmissionselektronmikroskopi visade forskarna den mikroskopiska strukturen hos PMN-PT-membranet. Sedan med bulk-PMN-PT visade de hur materialet uppvisade permanent växling mellan polariseringstillstånd i planet och utanför planet; detta beteende gav en önskvärd egenskap för minneslagring. Arbetet ger nyckelinsikt i det mikrostrukturella beteendet hos PMN-PT-tunnfilmsmembran för att visa deras tillämpningar i magnetoelektriska kopplingsanordningar, och även förutsäga deras användning med en mängd andra material för att upptäcka tidigare okända piezodrivna fenomen. + Utforska vidare
© 2021 Science X Network
