物理系于浦研究组在“新型磁电耦合效应”方面取得研究进展

2017年12月19日

12月18日,清华大学物理系于浦副教授带领的研究团队在《自然-通讯》(“Nature Communications 8, 2156 (2017)”)杂志在线发表了题为《利用氧离子型栅极实现磁电耦合》(“Electric field control of ferromagnetism through oxygen ionic gating”)的研究论文。该工作通过电场调控氧离子栅极与磁性金属界面处的磁相互作用,在室温下实现了快速的磁电耦合效应和阻变存储,使得氧离子型磁电耦合器件的工作速度得到了大幅度的提高。该工作实现了离子电子学和自旋电子学的学科交叉,拓展出一种新型的离子器件研究思路。

长期以来,研究者一直在努力探索具有显著室温磁电耦合效应(即通过电场实现对于磁性的有效、可逆调控)的材料体系和物理效应。最近人们在金属-氧化物复合结构体系中通过电场控制金属内部的氧化、还原反应而实现了新型的磁电耦合效应。该机制的优势在于结构简单、调控有效,而且与现有的半导体技术具有良好的兼容性。但同时该机制也面临着两个明显的缺陷,首先是氧离子在金属内部的注入或抽取需要高温环境(约100摄氏度)以促进离子的有效扩散。其次,为实现有效调控需要施加几十甚至上百秒的持续电场。以上问题极大地限制了离子型磁电耦合器件的实际器件应用。

于浦所带领的研究团队在其近期关于双离子、三态调控(Nature 546,124 (2017))的研究基础上,开创性的利用具有良好氧离子迁移特性的SrCoO2.5与金属钴(Co)组成异质结构,并通过利于电压控制氧离子在SrCoO2.5内部的快速迁徙,实现了氧离子型栅极对金属钴磁性的快速调制。该研究思路在保持原有方案的简洁、便利等优势前提下,将磁性的翻转速度大幅度提高到目前的亚毫秒量级,并且还有望通过优化器件构型近一步提高。他们发现该磁电耦合效应还伴随着非易失性的双极性电阻转变变效应,意味着可以在该简单模型单元上实现同时具有阻变存储和磁电耦合效应的多功能器件。该项研究进一步拓展了人们对于电场调控结构相变及相关物性的认识,为离子调控领域提供了重要的启发和借鉴。

清华大学物理系于浦副教授为该文章的通讯作者。物理系博士后李好博为第一作者。合作者包括清华大学材料学院南策文、马静研究组、物理所谷林研究组、金魁研究组和南开大学的刘晖研究组。该课题是在科技部、自然科学基金委、清华大学自主科研计划、低维量子物理国家重点实验室和北京未来芯片技术高精尖创新中心等经费的支持下完成。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-02359-6