西交大Advanced Materials：电场可调低功耗可穿戴自旋电子器件

【引言】

作为 21 世纪最为热门的新型材料之一，柔性电子材料及衍生器件因其所具备的柔韧性，便携性，可穿戴性，已经成为发展功能材料和器件的尖端领域，引起了学术界和工业界的高度关注，也是未来微电子产业的重要发展方向之一。柔性电子材料和器件主要是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，它具有独特的延展性、对于曲面环境的可适应性以及低成本而高效的制造工艺。柔性电子材料和器件在国防、能源、信息、医疗等领域具有广泛的应用前景，如实现生物与数字世界之间的无缝连接。2000 年，美国《科学》杂志将柔性电子技术进展列为当年世界十大滚球体育 成果之一，与生物克隆技术、人类基因组技术等重大科学突破并列。欧美日等发达国家陆续制定了针对柔性电子材料的重大研究计划，例如美国FDCASU 计划、欧盟第七框架计划中PolyApply 和SHIFT 计划和日本TRADIM计划等。然而柔性自旋电子器件的研究却仍然局限于其磁性调控方式，因为传统的磁铁调控方式具有体积庞大、高功耗、高热量、响应慢等缺点，严重制约了柔性自旋器件的实际应用。

针对目前柔性自旋研究领域的磁性有效调控问题，基于磁电耦合效应的新型自旋电子技术提供了一种新的思路。基于离子液体的磁电耦合方式由于可以在多种衬底上利用电荷或晶格在纳米尺度范围内对自旋进行重构，预示了其在有效调控磁性方面有巨大的应用前景。尽管如此，离子液体的调控方式在柔性材料中会面临渗漏问题而无法工作。考虑到柔性磁电材料中材料与功能的复杂性，以及其与传统电子元器件系统整合时所面临的困难，使得低功耗、微型化、超快响应的柔性磁电器件的研发极具挑战性。如何将磁电耦合现象与柔性磁器件结合起来，如何用电场实现柔性磁器件的自旋动态调控成为一个亟待解决的问题。

【成果简介】

近日，西安交通大学电信学院“青年千人”刘明教授课题组研究了基于电场调控的柔性自旋电子器件，并实现了磁畴翻转的可视化观测。该成果尝试将磁电耦合效应从平面研究推广到柔性曲面研究，将柔性自旋电子和磁电复合技术结合，具有突破性的意义。第一性原理计算证实离子胶对人工反铁磁的耦合类型调控是由于电压改变了铁磁层的费米能级并进一步改变层间耦合能所致。柔性基底上电场可控的反铁磁-铁磁转变迎合了当前磁性器件的功能需求，因而该成果将为新一代可穿戴，低功耗，快响应，易集成柔性电子元器件的制备与研发打下坚实基础。

【图文导读】

图1不同基底的(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂人工反铁磁实物图片及其基本磁性表征

(a)Kapton (I)和云母上(II)呈弯曲态的(Pt 9 Å/ Co 7.5 Å)₂/ Ru (0.95nm)/ (Co 7.5 Å / Pt 9 Å)₂/ Ta(3.5nm)人工反铁磁。 右图III显示的是离子胶(IG)； (b)和(c)是(Pt / Co)₂/ Ru /(Co / Pt)₂/ Ta / Mica人工反铁磁的磁滞回线Ru厚度依赖特性； (d-i)在极性MOKE模式下观察到的(Pt 9 Å / Co 7.5 Å)₂/ Ru(10.3 Å)/ (Co 7.5 Å / Pt 9 Å)₂/ Ta(3.5nm)/Mica结构的垂直动态磁化反转。(d-f)是磁场从-191 Oe降到-169 Oe所发生的第一次磁畴翻转过程(↓↓至↑↓)；(g-i）是磁场从+456 Oe升到+477 Oe所发生的第二次磁畴翻转过程(↑↓至↑↑)；(d)图左上角插图是磁畴翻转过程相对应的磁滞回线；本工作的人工反铁磁结构是(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂, 铁磁、反铁磁耦合类型可以通过调节Ru的厚度实现；所有测试均在室温下完成；

图2具有临界反铁磁耦合的柔性人工反铁磁的应力测试

对于(Pt 9 Å/Co 7.5 Å)₂/Ru(9.9 Å)/(Co 7.5 Å /Pt 9 Å)₂/Ta(3.5nm) /Kapton 人工反铁磁在不同曲率下的(a)凹面弯曲和(b)凸面弯曲应力测试；三维插图说明了弯曲测试的形状变化和受力情况；(c)对Kapton上的t_Ru=9.9 Å人工反铁磁进行重复的弯曲测试；对于(Pt 9 Å/Co 7.5 Å)₂/ Ru(1.03nm)/(Co 7.5 Å / Pt 9 Å)₂/Ta(3.5nm)/Mica 人工反铁磁的(d)凹凸测试和(e)重复应力测试； 我们在相对较大的柔性衬底上制备人工反铁磁结构，用锋利的剪刀将样品切割成所需的尺寸/形状。 这样，我们获得了许多相同的小样本，这确保了样本的一致性以做不同的实验；

图3不同曲率下电压对柔性人工反铁磁的调控效应　

(a) 平面状态离子胶电场调控示意图； (b) 曲率为1/5 mm^-1(c) 曲率为1/3 mm^-1时的示意图；装置的结构可以表述为Au电极/离子胶/人工反铁磁/基底；(d-f)是t_Ru=9.85 Å的人工反铁磁在不同曲率下的电场调控作用；(g-i) 是t_Ru=9.9 Å的人工反铁磁在不同曲率下的电场调控作用；外加磁场沿着磁易轴方向，即面外方向；结果显示了在离子胶调控过程当中人工反铁磁具有丰富的磁学行为，可以实现双-三回线之间的转换，表明人工反铁磁可以实现铁磁-反铁磁耦合之间的转变；对于9.9Å具有临界效应的人工反铁磁，其对应力效应比9.85 Å更加敏感。

图4对离子胶调控人工反铁磁中应力和电压效应的讨论

(a)典型的人工反铁磁的弯曲效应，图中磁滞回线显示为Kapton基底上t_Ru=9.9 Å时的应力效应；在曲率为1/5 mm^-1和1/3 mm^-1时应力分别为71 MPa or 118 MPa；(b)离子胶调控过程中薄膜界面双电层（Electric double layers, EDL）中离子聚集示意图；(c)电压调控下典型双-三磁滞回线的转换过程；所选取的人工反铁磁t_Ru=9.85 Å； (d) 三回线是双回线和单回线的叠加，图中显示了一种可能的分离方法；

图5电场调制(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂/Mica中磁畴翻转

(a)平面状态下t_Ru= 0.99 nm 时样品的磁滞回线；(b)和(c)是该样品在电压为0v及4v时的磁畴图；(d)凹面状态下t_Ru= 0.99 nm 时样品的磁滞回线；(e-f)是电压变化所对应的磁畴变化图；磁畴翻转比例的确定：首先计算亮区（b，c）和暗区（e-f）所占比值，然后用磁化饱和时的值进行归一化；

【总结与展望】

该工作系统研究了Au/IG/(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂柔性人工反铁磁中离子胶对RKKY效应的电场调控作用，在不同曲率下均得到了双-三回线间的转换。此外，本工作实现了电控磁畴的可视化研究并且进一步证实了对于费米面电子密度起决定作用的磁性系统而言，IG电压调控磁性十分奏效。该成果在电路电压下实现了对柔性自旋电子的高效控制，为新一代可穿戴，低功耗，快响应，易集成柔性电子元器件的制备与研发打下坚实基础。

该成果以“Ionic Gel Modulation of RKKY Interactions in Synthetic Anti-Ferromagnetic Nanostructures for Low Power Wearable Spintronic Devices”为题，在材料科学领域国际知名期刊Advanced Materials（IF=19.79）上线发表。该研究成果是由博士生杨曲在西安交大电信学院博士生导师刘明教授和周子尧教授共同指导下完成的，西安交通大学电信学院为该论文的唯一单位。这是刘明教授团队在电控磁领域继2018年Nat. Commun.，Adv. Mater.，ACS Nano后的又一重大突破。该工作得到了国家自然科学基金重点、面上及西安交大基本科研业务费的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201800449

本工作介绍视频：

刘明教授团队主页：http://mliu.xjtu.edu.cn/

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