电场非易失调控磁性隧道结的研究进展
2019年3月23日
信息技术的快速发展对信息存储的要求越来越高，读写速度快、存储密度高、能耗低的存储器成为未来发展的迫切需求，因而拥有非易失性、持久性和高速读写等优点的磁性随机存储器成为下一代存储器和通用存储器（Universal Memory）的有力竞争者，吸引了众多研究者的目光。磁电阻大的磁性隧道结在磁存储、磁性传感器、磁性逻辑器件等方面具有重要的应用，是自旋电子学的重要组成部分。由于磁性隧道结能够提供大的读取信号而成为磁性随机存储器存储单元的核心。目前，磁性随机存储器最大的问题是高功耗，因为其信息的写入，也就是隧道磁电阻的调控需要通过电流产生的磁场或自旋转移力矩等来实现，而大的电流密度会产生大量能耗。用电场来代替电流进行调控可以有效地降低能耗，因此，用电场来调控隧道磁电阻对自旋电子学的发展具有重要的意义，近年来，电场调控磁性的研究的快速发展也为实现电场调控隧道磁电阻提供了可能。
多铁性材料的兴起为电场调控隧道磁电阻的研究注入了新的活力。最近，物理系低维量子物理国家重点实验室博士生陈爱天（现为沙特国王科技大学博士后），在导师赵永刚教授的指导下，与沙特国王科技大学张西祥教授、吴韬教授，中科院苏州纳米所曾中明研究员，中科院物理所韩秀峰研究员、蔡建旺研究员，中科大陆亚林教授等合作，把核心结构为IrMn/CoFeB/MgO/CoFeB的磁性隧道结生长在Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3 (011)铁电衬底上，得到了隧道磁电阻为235%的高质量磁性隧道结，通过双极性不对称电场极化来调控自由层CoFeB 磁各向异性。得益于电场对自由层磁化的非易失90度旋转，从而在零磁场下通过施加电场可以使磁性隧道结自由层和钉扎层磁化的相对取向在平行（反平行）和垂直之间往复变化，最终在室温零磁场下实现了电场对隧道磁电阻的非易失调控。磁性隧道结和铁电的结合为电场调控隧道磁电阻的研究提供了新的方法和思路，室温零磁场下电场非易失调控隧道磁电阻有助于低功耗自旋电子学器件的发展。
该研究成果以“Giant nonvolatile manipulation of magnetoresistance in magnetic tunnel junctions by electric fields via magnetoelectric coupling”为题发表于2019年1月16日的Nature Communications上（Nat. Commun. 10, 243 (2019)），并被选为Editors' Highlights （https://www.nature.com/collections/rcdhyvxytb, editor Yu Gong）。这也是继本组在国际上发表的第一个电场对多铁磁性隧道结磁电阻易失调控（Adv. Mater. 26, 4320 (2014)）后的一个新进展。
该项工作得到了科技部、国家自然科学基金、教育部2011协同创新及低维量子物理国家重点实验室的支持。