南大繆峰合作團隊：層狀材料的應力調控為低功耗磁存儲提供新思路

2020-09-25 量子之聲

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，並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範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，並易於產生應變調控，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，並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》（範德瓦爾斯磁性材料的靈敏應變磁翻轉）為題，於2020年9月13日發表在期刊《先進材料》（Advanced Materials）（論文連結：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。該工作得到國家傑出青年科學基金、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，團隊首先在聚醯亞胺（PI）柔性襯底上製備了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），並通過反常霍爾效應來觀測樣品的磁矩變化。同時，由於該應變裝置可集成在制冷機插杆上，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的關係（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，居裡溫度的變化。其中居裡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，並通過Rxy為零的轉折點確定居裡溫度Tc。結果顯示隨著應變的增加，Tc得到了顯著的提升（圖2a）。隨後，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）。基於上述居裡溫度Tc、磁疇轉變溫度（Tl）同應變的依賴關係，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，並繪製了相圖（圖2c）。相圖顯示隨著應力的增加，Tc近乎線性地增長，而Tl則會先增加然後趨於飽和。由於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）同單軸應變的關係。計算顯示，磁各向異性能隨著應變的增加會顯著上升，並在超過0.6%的應變強度後開始下降（圖3a），這與實驗中觀測到的矯頑場同應變的關係一致。另一方面，磁交換作用在應變下並沒有顯著的改變（圖3b、3c）。計算結果表明，實驗中觀測到的應變調控行為來自於磁各向異性能的變化，這主要歸因於在晶格形變時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。


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&34;往&34;和從&34;往&34;的翻轉。

最後，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）。當矯頑場絕對值小於反向施加的磁場時，磁矩會失穩並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。

相關焦點

  • 南京大學繆峰教授合作團隊在二維材料層間相互作用調控研究領域取得進展
    在這類層狀材料中，層間相互作用是決定其物性的其中一個重要參數。例如，具有強相互作用的PtSe₂電子結構強烈地依賴於層數的變化，當從體塊減薄為少層時呈現出半金屬-半導體的轉變；但是，對於具有弱層間相互作用的ReS₂，其物性幾乎不隨著層數減小發生相應的變化。因此，尋找合適的手段對這類材料的層間相互作用進行調控，將有望進一步實現對材料的物性調控與器件應用，這也成為二維材料研究領域備受關注的挑戰之一。
  • 梁世軍/繆峰/林君浩：二維材料層間相互作用調控
    在這類層狀材料中，層間相互作用是決定其物性的其中一個重要參數。例如，具有強相互作用的PtSe2電子結構強烈地依賴於層數的變化，當從體塊減薄為少層時呈現出半金屬-半導體的轉變；但是，對於具有弱層間相互作用的ReS2，其物性幾乎不隨著層數減小發生相應的變化。因此，尋找合適的手段對這類材料的層間相互作用進行調控，將有望進一步實現對材料的物性調控與器件應用，這也成為二維材料研究領域備受關注的挑戰之一。
  • 金屬小團簇的磁各向異性調控取得重要進展
    信息存儲最主要的方式是利用磁性材料實現的磁存儲。隨著存儲器件越來越快的小型化，磁性單元的尺寸也越來越小。此時，足夠大的磁各向異性能（MAE）變得非常重要，因為它能維持磁性單元磁化方向在高溫下不發生無效翻轉，從而確保信息安全。
  • 基於NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡助力新型磁存儲研究
    在2019年的日本SFF（三星晶圓代工論壇）會議上，三星公布了3 nm工藝的具體指標，與現在的7 nm工藝相比，3 nm工藝可將核心面積減少45%，功耗降低50%，性能提升35%。同時，在存儲方面，高密度、低能耗、高速度等特點也是量化生產存儲器所追求的。然而隨著電晶體尺寸的減小, 由量子效應所產生的漏電流及其所導致的熱效應使得傳統的存儲技術遇到了瓶頸。
  • 新品成果速遞 | 基於NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡助力新型磁存儲...
    隨著自旋電子學的發展，自旋電子器件具有靜態功耗低、可無限次高速讀寫、非易失性存儲等優點, 被認為是突破當前瓶頸的關鍵技術, 因此受到了廣泛關注。 MRAM（磁隨機存取存儲器）和磁性斯格明子等是目前比較有代表性的新型磁存儲技術。
  • 體積小、耗能低,新型磁存儲器件有望解決AI「內存瓶頸」
    AI技術的快速發展有望改善醫療保健、交通運輸等多個領域，但其巨大潛力的發揮要以足夠的算力為基礎，隨著AI數據集越來越大，計算機需要有更強大的內存支撐。理想情況下，支持AI的存儲設備不僅要有與靜態隨機存儲器（SRAM）一樣快的速度，還要有類似於動態隨機存儲器（DRAM）或快閃記憶體的存儲容量，更重要的是，它耗能要低。
  • 南京大學繆峰團隊在「垂直結構」新型類腦視覺系統方面取得重要進展
    視覺認知的形成，需要眼睛將物體攜帶的光信息轉化為視覺神經衝動，並傳遞給大腦視覺皮層進行視覺信息處理。得益於這種視網膜和大腦視覺皮層垂直分層的結構和信息加工能力，人類視覺系統能以極低的功耗和極高的信息處理效率完成複雜的視覺認知。將這種強大的視覺信息處理能力賦予機器，使其能夠像人一樣具有獨立思考和行動的能力，是人們一直以來的夢想。
  • ：非共線反鐵磁性調控自旋極化
    低功耗、定向性的磁翻轉需要自旋電流的自旋極化方向與磁矩方向共線。然而，對稱性限制自旋極化指向面內方向，不利於適用於高密度存儲的垂直磁化磁存儲單元翻轉。這意味著更大的器件功耗，並且通常還需要外加磁場誘導的對稱性破缺以實現定向性磁翻轉。因此，如何調控自旋極化方向成為該領域亟需解決的科學問題，在磁隨機存儲器中有重要應用價值。
  • 浙大《Nature》子刊新思路：晶界調控金屬納米結構循環變形行為！
    這種「自下而上」的納米材料設計新思路，為微納結構材料的結構設計和損傷控制提供依據。上述發現系統闡明了界面結構設計在微納結構材料性能調控中的重要意義。微納器件的飛速發展對納米材料的結構設計和可靠性提出了更高的要求。
  • 神奇，天津大學團隊探索「磁-力發光」微器件遠程調控光遺傳蛋白
    應力發光材料是一類在微弱的機械外力刺激下，其內部儲存的能量以發光形式釋放的材料。靈敏感應外力的特性使其在生物醫學領域（應力傳感、人造皮膚等）有良好的應用前景。然而，現有接觸式的激活方式限制了其在深層生物組織的應用。因此，尋找一種非接觸的激活方式對於拓寬應力發光材料在生物醫學領域的應用十分重要。
  • 應力記錄的新方式:應力誘導載流子存儲
    近日，廈門大學、武漢大學、中國計量大學、中國科學院城市環境研究所、中國科學院北京納米能源與系統研究所合作提出了一種應力誘導載流子存儲（Force-induced charge carrier storage, FICS）效應，這種效應能夠將應力作用下產生的載流子存儲於應力發光材料較深的能量陷阱中，隨後在熱刺激下讀取出存儲的應力信息
  • 浙大《Nature》子刊新思路:晶界調控金屬納米結構循環變形行為!
    作者|材料科學網 來源|材料科學與工程(ID：mse_material)導讀：本文提出了一種通過晶界調控實現金屬納米結構可控循環變形的新思路，系統闡釋了金屬納米結構在循環剪切過程中通過小角度晶界分解和晶界位錯協同運動而實現可逆塑性變形的獨特行為。這種「自下而上」的納米材料設計新思路，為微納結構材料的結構設計和損傷控制提供依據。
  • 生命科學學院常津教授團隊探索「磁-力發光」微器件遠程調控光遺傳...
    本站訊（通訊員 武璇）應力發光材料是一類在微弱的機械外力刺激下，其內部儲存的能量以發光形式釋放的材料。靈敏感應外力的特性使其在生物醫學領域（應力傳感、人造皮膚等）有良好的應用前景。然而，現有接觸式的激活方式限制了其在深層生物組織的應用。因此，尋找一種非接觸的激活方式對於拓寬應力發光材料在生物醫學領域的應用十分重要。
  • 關於TMR1302超低功耗磁開關的介紹和應用
    打開APP 關於TMR1302超低功耗磁開關的介紹和應用 發表於 2019-10-25 17:37:43 非接觸式磁開關主要有幹簧管、霍爾開關和磁阻開關。幹簧管的優點是純機械開關，沒有功耗，但不利於焊接，還有一個致命的問題因為門的開關造成的震動和衝擊，導致幹簧管易碎，為了保護幹簧管，採用灌膠塑封的方案，這樣體積大，成本高，而且幹簧管大多採用進口的器件，價格貨期很不穩定，漲價和缺貨是一種趨勢。
  • 應力誘導載流子存儲效應被提出
    應力誘導載流子存儲效應被提出 陳昌健 發表於 2020-11-11 16:15:14 近日，廈門大學、武漢大學、中國計量大學、中國科學院城市環境研究所、中國科學院北京納米能源與系統研究所合作提出了一種應力誘導載流子存儲
  • 低功耗藍牙為創鴻新智能深紫外LED測溫消毒筆提供無線連接
    打開APP 低功耗藍牙為創鴻新智能深紫外LED測溫消毒筆提供無線連接 Nordic半導體 發表於 2021-01-08 15:45:43
  • 自旋波突破可能導致超低功耗非易失性存儲器
    自旋波突破可能導致超低功耗非易失性存儲器 發表於 2019-07-25 14:14:25 在我的大學，我們不需要學習量子力學。
  • 南大繆峰團隊在"垂直結構"新型類腦視覺系統方面取得重要進展
    視覺認知的形成，需要眼睛將物體攜帶的光信息轉化為視覺神經衝動，並傳遞給大腦視覺皮層進行視覺信息處理。得益於這種視網膜和大腦視覺皮層垂直分層的結構和信息加工能力，人類視覺系統能以極低的功耗和極高的信息處理效率完成複雜的視覺認知。將這種強大的視覺信息處理能力賦予機器，使其能夠像人一樣具有獨立思考和行動的能力，是人們一直以來的夢想。
  • 南大團隊「搭出」類腦視覺傳感器 模擬人眼視網膜,信息探測和處理...
    構建一個媲美人眼的類腦視覺傳感器是人們一直追求的夢想，南京大學物理學院繆峰教授團隊利用二維材料異質結，實現了對人眼視網膜生物特性的模擬，在可重構類腦視覺傳感器領域取得重要進展。6月25日，該研究成果在《科學》雜誌子刊《科學——進展》上發表。  　　「人類視覺系統強大的信息處理能力很大程度上依賴於視網膜的結構和功能。」