Advanced Materials封面文章： 西安交大研究人员在电场调控界面磁性方面取得突破

【引言】

多功能、低功耗、微型化、易集成和超快响应已成为电子元器件设计与开发的必然要求。利用新型磁电耦合效应，即通过电场诱导磁有序或者通过磁场改变电极化是实现这一目标的有效途径之一。特别是在超薄磁性材料的界面或表面，利用电荷或晶格在纳米尺度范围内对自旋进行重构，可实现显著的磁性调控。而这一效应在块状磁性材料中是无法实现的。离子液体，作为一种可在界面/表面产生双电层结构在界面出可形成极高电荷浓度（10¹⁵/cm²）的电解液，可对超薄膜表层的电子云密度、能带结构、自旋、轨道等产生极大影响，进而变宏观物性。然而，离子液体磁电耦合效应原位测量及定量表征困难给该领域的进一步带来严峻的挑战。

【成果简介】

西安交通大学电信学院电子系刘明教授课题组采用电子顺磁共振波谱仪对调控过程进行精确、可控、可重复的原位定量测量。该测量手段是基于铁磁共振原理，即利用磁矩在外磁场作用下进动频率与微波频率一致时的共振吸收现象对磁性变化进行定量表征。该测量方式为静态无损测量，由高Q值的微波谐振腔和用于弱信号检测的锁相放大系统共同作用，具有测量精度高（<1 Oe），可在三维空间定量确定磁各向异性场的分布等特点。在室温下，1.5 V的低电压调制可以在Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co 类场效应管结构中离子液体与磁性金属界面处实现高达219 Oe的可逆的磁各向异性变化，对应着破纪录的高达146 Oe/V的磁电耦合系数。这种离子液体辅助实现强界面磁电耦合有着广泛的应用价值，为电子与自旋电子器件的构建与实现，微波信号处理器的研制与应用打下坚实的基础。

【图文导读】

图1 离子液体电场原位调控测试原理示意图、离子液体电学性质及调控机理示意图

（a）离子液体电场调控效果通过电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance Spectrum，EPR）原位定量表征出来，可以通过转角测量测的磁性调控的空间信息；样品腔内充满干燥氮气，所有测试在室温下完成；

（b）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构中离子液体的电化学窗口测试，根据电流大小将两极电压划分为I静电掺杂区（电化学窗口内）和II电化学反应区（电化学窗口外）；

（c）（d）I静电掺杂和II电化学反应过程中离子液体和磁性薄膜界面双电层（Electric double layers， EDL）的状态示意图，在II区双电层的界面存在明显的电化学腐蚀；

图2 室温下化学窗口内（I区）离子液体对Co膜磁各向异性原位可逆电压调控测试

（a）施加1.5 V电压前后Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构铁磁共振场随角度的依赖关系，外磁场平行于Co膜面时的位置定义为0度；

（b）在60度，Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构的铁磁共振强度（dP／dH）随外磁场和外加电场的变化，其中黄线表示铁磁共振场H_r（dP／dH＝0）随外电场变化关系；在1.5 V可以实现88 Oe的铁磁共振位移，对应着59 Oe／V的磁电耦合系数；在70度化学窗口内的磁电耦合系数更是高达146 Oe／V（见supporting information）；

（c）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构铁磁共振场随外加电场的变化，该电压范围内调控作用可逆；

（d）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构铁磁共振场随外电场的可逆往复调控；

（e）1.5 V外电压作用8小时后，共振场仍然可以被可逆往复调控；

图3 离子液体对Co膜磁各向异性电压调控机理分析

Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构初始态如图（a）所示，当施加的正向电压在I区内时，界面双电层处积累的高电荷浓度使得薄膜的磁矩向面内方向移动，如图（b），当电压降回0 V时回到初始态，当施加副电压时磁矩没有变化，如图（c），这可能是由于离子液体中阴阳离子的结构不同导致界面电场的差异；当外加电压超出电化学窗口，进入II电化学反应控制区，界面处的电化学腐蚀使得Co本身的厚度减小，表面各向异性增大，共振场减小，磁矩转向面内，如图（d）；此时界面出生成了附着层，因而电压回到0 V及再施加反向电压的过程中不能实现磁矩方向的可逆变化。

图4 室温电化学反应主导的不可逆磁各向异性电压调控

（a）在60度，电子顺磁共振波谱仪对Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构铁磁共振强度随外加电场以及磁场的变化，5 V的外加电压实现了415 Oe的铁磁共振位移；

（b）铁磁共振场H_r随外加电压的变化，对应（a）中的黑线；

（c）Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构铁磁共振场随外电场的不可逆往复调控；

（d）与（e）面内和面外方向非原位离子液体对Co膜电场调控效果测量；

图5 Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构界面处形貌和成分表征

（a）光学显微镜下Co表面被2.7 V电压调制调控区域，与未调控区域的照片对比；

（b）-（d）分别对应着未调控，在I静电掺杂区调控后，在II电化学反应区域调控后原子力显微镜表征表面形貌图；

（e）-（g）为Co元素的未调控，在I静电掺杂区调控后，在II电化学反应区域调控后三个样品X射线光电子能谱表征；

（h）-（j）为O元素未调控，在I静电掺杂区调控后，在II电化学反应区域调控后三个样品X射线光电子能谱表征；

I区内电压调控没有对界面的形貌及组成成分产生影响，II区内电压调控明显腐蚀了Co表面，这与前面原位表征的电压调控效果一一对应。

【总结与展望】

该工作系统研究了Au/[DEME]⁺[TFSI]^-/Co结构中磁各向异性的电压调控效果，借助电子顺磁共振谱仪进行定量表征。在化学窗口内（区域I，-1.3 V～2.3 V），1.5 V的调制电压实现了高达219 Oe 的铁磁共振位移，对应着146 Oe／V的磁电耦合系数；且该过程完全可逆；更令人兴奋的是该过程实在室温下实现的，对比其他闸控结构，并不需要升高温度来克服磁性变化的势垒。在电化学窗口外（区域II，电压小于-1.3 V或大于2.3 V），5 V外加电压实现了415 Oe的磁各向异性场变化；该过程会对离子液体磁性膜界面造成腐蚀，这通过AFM和XPS进行了确认；Co厚度减小增大了其表面各向异性。这种离子液体辅助实现强界面磁电耦合有着广泛的应用价值，为电子与自旋电子器件的构建与实现，微波信号处理器的研制与应用打下坚实的基础。尤其是电化学窗口内，调控量大，调控在室温下完成，调控过程完全可逆几点预示着离子液体磁电压调控存在极大的器件化应用价值。

该成果已在材料科学领域知名期刊Advanced Materials上在线发表，并将作为inside back cover报道，题为“Quantitative Determination on Ionic-Liquid-Gating Control of Interfacial Magnetism”。西安交通大学电信学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室为该论文的第一作者及唯一通讯作者单位。该项工作是硕士生赵士舜在导师刘明教授、周子尧教授的指导下完成的。该工作得到中组部“青年千人”项目、国家自然科学基金面上及重点项目等支持。

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201606478/full

西安交通大学刘明教授课题组链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu

本文由西安交通大学电信学院赵士舜博士投稿，欧洲足球赛事 编辑晓fire编辑整理。