science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Laagspannings magneto-elektrische koppeling in membraanheterostructuren

Anisotrope stam in (011)-georiënteerde PMN-PT. (A) Cartesiaanse coördinaten x, y en z zijn gedefinieerd als respectievelijk de kristalrichtingen [100], [011¯] en [011]. Polarisatierichtingen in (011)-georiënteerde PMN-PT-eenheidscel, gegroepeerd in rhombohedral in-plane (RIP; oranje), rhombohedral up (RUP; blauw) en orthorhombisch omhoog (OUP; paars). Rhombohedral down (RDOWN) en orthorhombisch down (ODOWN) worden niet getoond, maar zijn respectievelijk RUP en OUP gespiegeld rond het xy-vlak. De snede in het vlak door de eenheidscel (grijs gearceerd gebied) is rechthoekig met zijden van lengte a2–√by a, waarbij a de roosterparameter is. (B) Elektrostrictieve vervormingen (niet op schaal) van de eenheidscel voor de kubieke (nul FE-polarisatie), RIP-, RUP- en OUP-polarisatiegroepen. De vervormingen naar beneden zijn identiek aan die naar boven. In-plane projecties van polarisatievectoren worden getoond voor RIP (lichtoranje) en RUP (lichtblauw). (C) Percelen van lineaire elektrostrictiestammen εxx en εyy en de anisotrope stam εxx − εyy voor RIP-, RUP- en OUP-polarisatiegroepen. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abh2294

Door spanning gemedieerde magnetische koppeling in ferro-elektrische en ferromagnetische heterostructuren kan een unieke kans bieden voor wetenschappelijk onderzoek in multifunctionele apparaten met een laag vermogen. Ferro-elektrische materialen zijn materialen die spontane en omkeerbare elektrische polarisatie kunnen handhaven. Relaxor-ferro-elektriciteit die een hoge elektrostrictie vertoont, zijn ideale kandidaten voor ferro-elektrische laagconstructies vanwege hun grote piëzo-elektriciteit. Hoewel de eigenschappen van relaxor-ferro-elektriciteit bekend zijn, blijft hun mechanistische oorsprong een mysterie, wat aanleiding geeft tot een raadselachtige vorm van materialen. Bovendien zijn dunne films niet effectief bij het vastklemmen van het substraat en kunnen ze piëzo-elektrische spanningen in het vlak aanzienlijk verminderen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , toonden Shane Lindemann en een onderzoeksteam in materiaalkunde en natuurkunde in de VS en Korea laagspannings-magneet-elektrische koppeling in een volledig dunne-film heterostructuur met behulp van anisotrope spanningen die worden veroorzaakt door de oriëntatie van het materiaal. Het team gebruikte een ideale ferro-elektrische laag Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 –PbTiO3 afgekort PMN-PT tijdens dit werk en gekoppeld aan ferromagnetische nikkel-overlagen om membraanheterostructuren met magnetisatie te creëren. Met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie en faseveldsimulaties verduidelijkten ze de membraanrespons om het microstructurele gedrag van PMN-PT dunne films te begrijpen, om ze vervolgens te gebruiken in piëzo-aangedreven magneto-elektrische heterostructuren.

Magneto-elektrische (ME) koppeling

De elektrische veldcontrole van magnetisme, ook bekend als omgekeerde magneto-elektrische koppeling, heeft potentieel voor geheugenopslag- en detectietechnologieën van de volgende generatie. Het PMN-PT-materiaal is van belang als relaxor-ferro-elektrisch materiaal voor toepassingen als de ferro-elektrische laag met een grote piëzo-elektrische samenstelling. Door het relaxor-ferro-elektrisch te koppelen met een ferromagneet die grote magnetostrictie bevat, kan omgekeerde ME-koppeling worden bereikt door spanningsgeïnduceerde spanning van de ferro-elektrische laag naar de ferromagnetische laag over te brengen om te resulteren in de spanning-gemedieerde controle van anisotropie in het vlak, tunneling magnetoweerstand , ferromagnetische resonantie en geleidbaarheid. De recente drang naar ME-apparaten met een laag vermogen en de ontwikkeling van micro- en nano-elektromechanische systemen heeft geleid tot verdere studie van relaxor-ferro-elektrische dunne films. Het verminderen van de dunnefilmdimensies van relaxor-ferro-elektriciteit kan een grote vermindering van piëzo-elektriciteit veroorzaken als gevolg van mechanische klemming, en wetenschappers streven er daarom naar om deze uitdaging met succes te overwinnen door relaxor-ferro-elektrische dunne films te integreren in hoogwaardige apparaten. In dit werk, Lindemann et al. overwon het klemprobleem en demonstreerde low-voltage strain-gemedieerde ME-koppeling in all-dunne-film heterostructuren. Het werk benadrukte de microscopische aard van relaxor-ferro-elektrische dunne films om een ​​cruciale stap te zetten in de richting van hun toepassingen in piëzo-aangedreven magneto-elektrische apparaten met laag vermogen.

Fabricage van monokristallijn (011)-georiënteerde PMN-PT-membraan heterostructuren. (A) initiële dunne-film heterostructuur bestaande uit PLD-gegroeide SAO/STO-lagen en door sputteren afgezette SRO/PMN-PT/Pt-lagen. (B) Na het bevestigen van de heterostructuur Pt-zijde in PDMS/Glass, wordt de SAO-opofferende laag geëtst door H2O. (C) Na verwijdering van de STO-bufferlaag wordt Ni afgezet door sputteren, gevolgd door patroonvorming van de Ni/SRO-lagen in cirkels van 160 m. De heterostructuur van het membraan wordt gecompleteerd door toevoeging van de SU-8 beschermende laag en Au-lifted elektrodelaag. (D) SEM-afbeelding met het voltooide membraanapparaat. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abh2294

Ontwikkelen en karakteriseren van membraan heterostructuren

Lindeman et al. de spanning-geïnduceerde veranderingen van magnetische anisotropie in de nikkel bovenlaag gemeten met behulp van longitudinale magneto-optische Kerr effect (MOKE) hysteresis lussen, als een functie van PMN-PT bias elektrische velden. Vervolgens toonden ze het belang van het verwijderen van mechanische klemming door het substraat om grote anisotrope spanningen in het vlak te bereiken. Om vervolgens het spanningsgedrag te begrijpen dat is afgeleid van de magneto-optische Kerr-effecthysterese, hebben Lindeman et al. uitgezet de berekende magnetische anisotropie energiedichtheid, bepaald uit het verzadigingsveld van harde as lussen, en de bekende differentiële rek op basis van de bekende magnetostrictie van nikkel. Vervolgens bepaalden ze de domeinstructuur van de as-grown PMN-PT-membranen met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie. Het monokristallijne materiaal vertoonde tijdens de groei van de film een ​​kolomstructuur met een mismatch in het rooster. De bevindingen leken op een gemengde ferro-elektrische en relaxordomeinstructuur die consistent was met het experimentele model.

Fase-veldsimulaties van PMN-PT-membranen

Om vervolgens het spanningsgedrag van het PMN-PT-membraan te begrijpen, voerden de wetenschappers vervolgens faseveldsimulaties uit. Om de gemiddelde rek te meten, berekenden ze de rekbijdrage van individuele spontane polarisatie-elementen, vermenigvuldigd met de elektrostrictie-tensor. Het startpunt van de simulatie gaf de verwachte structuur rond de ferro-elektrische afdruk van het experimentele PMN-PT-membraan aan. De resultaten van de simulatie kwamen kwalitatief overeen met de experimentele spanning en polarisaties gemeten in het PMN-PT/nikkelmembraan. Terwijl de stammen berekend uit de experimentele MOKE (magneto-optic Kerr effect) lussen een horizontale en verticale verschuiving vertoonden ten opzichte van de berekende stammen uit simulatie, waren de twee curven kwalitatief vergelijkbaar.

  • Magneto-elektrische (ME), ferro-elektrische (FE) en piëzo-elektrische eigenschappen van PMN-PT-membraan heterostructuren. (A) MOKE magnetische hysteresislussen (genormaliseerd) bij een reeks elektrische velden van −140 kV/cm (−7 V) tot 90 kV/cm (4,5 V). Donkere kleuren komen dichter bij de FE-afdruk en lichtere kleuren staan ​​verder van de opdruk. (B) Verzadiging magnetisch veld (Hsat; linkeras) en berekende anisotrope stam (εxx − εyy; rechteras) versus vooringenomen elektrisch veld geëxtraheerd uit HA MOKE hysteresislussen vergelijkbaar met die getoond bij elektrisch veld met hoge voorspanning in (A). Foutbalken vertegenwoordigen de SD van metingen van zeven verschillende apparaten op hetzelfde membraan. Negatieve differentiële rekpunten (εxx − εyy <0) werden geëxtraheerd uit HA MOKE-lussen met een magnetisch veld langs [011¯] en positieve punten (εxx − εyy> 0) uit lussen waar het magnetische veld langs was [100]. (C) Polarisatie (P) versus elektrische veldhysteresislusmetingen met behulp van de Ni/SRO-topelektrode met een diameter van 160 μm. De oranje lus werd gemeten met een sinusvormige spanningspuls van 30 kHz. De blauwe curve, aangeduid als 0,1 Hz, werd verkregen met behulp van een quasi-DC-meetprocedure (zie Methoden). (D) Relatieve permittiviteit versus vooringenomen elektrisch veld. Bias elektrisch veld werd geveegd bij 0,5 Hz en permittiviteit werd gemeten met een klein AC elektrisch veld van 3,5 kV/cm RMS bij 4 kHz. Voor (B) tot (D) worden richtlijnen toegevoegd om het gedrag te scheiden in een gebied met een laag veld (in de buurt van FE-afdruk) en gebieden met een hoog veld. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abh2294

  • STEM-analyse van domeinen die aanwezig zijn in het PMN-PT-membraan. (A en B) Atomaire resolutie hoge-hoek ringvormige donkerveld (HAADF)-STEM-beelden langs respectievelijk de [011¯]pcand [100]pc zone-assen. De inzetstukken zijn vergrote afbeeldingen in elke zone-as. Roze cirkels zijn kationen op de A-site (Pb) en gele cirkels zijn kationen op de B-site (Mg/Nb/Ti). Oranje pijlen zijn de verplaatsing van de B-site (δB). (C en D) B-site kation verplaatsing mapping met overlappende pijlen die gebieden van korte-afstandsbestelling aangeven. Kleurenkaarten tonen de grootte van de atomaire verplaatsing en pijlen geven de richting van de atomaire verplaatsing weer. (E en F) Fasefractietoewijzing in elke eenheidscel met kleurenwiel door verwachte B-site verplaatsingsrichtingen voor RIP (R1), ROP (R2) en regio's met verplaatsingen tussen de R-staten die zijn aangeduid als orthorhombische O1 en O2. Kleur blanco gebieden (Non) geven het niet-polaire gebied aan onder de 19.00 uur van B-site verplaatsing. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abh2294

  • Faseveldsimulaties van het (011) PMN-PT-membraan. Spontane polarisatie en stereografische projectie van het PMN-PT-membraan bij (A en B) 0 kV/cm, (C en D) 10 kV/cm, (E en F) 20 kV/cm, en (G en H ) 100 kV/cm. De legende voor het inkleuren van spontane polarisatie is opgenomen in (A). (I) Gemiddelde polarisatie in de x-, y- en z-richtingen versus toegepast veld. (J) Veldafhankelijkheid van de gemiddelde anisotrope rek in het vlak ε¯ xx ¯ yy. In (I) en (J) zijn richtlijnen toegevoegd om de low-field en high-field regio's te scheiden. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abh2294

Vooruitzichten

Op deze manier toonden Shane Lindemann en collega's het laagspannings-, spanning-gemedieerde, magneto-elektrische (ME) effect in een volledig dunne-film heterostructuur. De film vertrouwde alleen op de grote anisotrope stammen die inherent zijn aan de dunne PMN-PT-films. Het PMN-PT/nikkel-membraan dat in dit werk werd gebruikt, bereikte een robuuste, piëzo-aangedreven, 90 graden rotatie van de magnetische anisotropie in het vlak van de nikkel-bovenlaag onder een kleine voorspanning om te resulteren in spanningsanisotropie, gecontroleerd door de in- vlakke kristalsymmetrie van de PMN-PT-film. Met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie toonden de wetenschappers de microscopische structuur van het PMN-PT-membraan. Vervolgens lieten ze met bulk PMN-PT zien hoe het materiaal permanent schakelt tussen polarisatietoestanden in het vlak en buiten het vlak; dit gedrag zorgde voor een wenselijke eigenschap voor geheugenopslag. Het werk biedt belangrijk inzicht in het microstructurele gedrag van PMN-PT dunne-filmmembranen om hun toepassingen in magneto-elektrische koppelingsapparaten te laten zien, en ook om hun gebruik met een verscheidenheid aan andere materialen te voorspellen om voorheen onbekende piëzo-aangedreven fenomenen te ontdekken. + Verder verkennen

Inzicht in de ferro-elektrische eigenschappen van relaxor kan tot veel vooruitgang leiden

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Drie nieuwe soorten grondslangen ontdekt onder kerkhoven en kerken in Ecuador
  2. Voorbeelden van stoffen die gefaciliteerde diffusie gebruiken
  3. Plant- en diercelactiviteiten voor vierde graad
  4. Studie beschrijft hoe de driedimensionale architectuur van het genoom verandert tijdens de celcyclus
  5. Landbouw en meststoffen:hoe ecologische praktijken een verschil kunnen maken
  6. Een 3D-plantencel maken met huishoudelijke materialen
  7. De soorten weefsels waarvan DNA kan worden geëxtraheerd om DNA-vingerafdrukken te maken
  8. DNA-transcriptie: hoe werkt het?
  9. Een eiland verkennen dat is binnengevallen door padden en kikkers

Wetenschap