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案例分享 | 用AFM观察多铁薄膜中的磁畴翻转

日本的研究组制备了BFCO钴铁酸铋薄膜(部分铁原子被钴原子置换的铁酸铋),能够在室温中自发形成面外的磁畴结构。通过纳米尺度的磁学表征和机电耦合表征,研究者证实了材料的磁畴能够被电场翻转。
基于磁阻效应的随机存取存储器(MRAM)以及其它一些新型的磁学器件,有望成为快速、高密度、长寿命的数据存储解决方案。如果可以通过电场而不是电流来控制磁场,那么此类器件的功耗将能够被进一步降低。然而,实现电场调控是非常有挑战的工作。
东京工业大学和名古屋工业大学的学者通过具有铁磁性和铁电性的BFCO薄膜,在这一领域取得了进展。薄膜在钪酸钆基底上生长,以减小晶格失配导致的应力。由此制备的单一晶相的薄膜在室温下具有自发形成的面外磁畴。
利用AFM的磁学表征和机电耦合表征技术,研究团队发现了材料的面外磁畴方向可以被电场方向所调控,而不需要施加电流。这表明材料的电畴和磁畴之间存在显著的耦合作用。
这项发现将有助于开发具有低功耗的MRAM及其它非易失性磁存储器件。
使用设备
Cypher S原子力显微镜,以及配备了PolyHeater加热台的MFP-3D Origin+原子力显微镜。
相关技术
材料局部的机电耦合性质通过Cypher S原子力显微镜的压电力显微术(PFM)获得。PFM测试采用了牛津仪器Asylum Research的专利技术,“双频追踪模式(DART)”。DART模式能够在增强PFM信号的同时免受样品表面形貌的影响。在样品的同一区域,研究者采集了两幅正交的面内PFM图像(样品方向旋转90度),以及一幅面外PFM图像,以获得矢量PFM信息。
室温下的磁力显微镜图像(MFM)同样是在Cypher S上采集的,使用了具有磁性钴镀层的探针。文中的MFM图像反映的是探针在双次轻敲模式扫描过程中的相位信号。而利用配备了PolyHeater加热台的MFP-3D Origin+原子力显微镜,研究者还在150C°的温度下采集了MFM图像,以证实信号来源于样品和探针之间的磁力,而非静电力。PolyHeater加热台能够非常方便、快速地将样品从室温加热到300C°。
Citation: K. Shimizu, R. Kawabe, H. Hojo et al., Direct observation of magnetization reversal by electric field at room temperature in Co-substituted bismuth ferrite thin film. Nano Lett. 19, 1767 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b04765
Note: The data shown here are reused under fair use from the original article, which can be accessed through the article link above.
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