磁随机存储器具有非易失性、低能耗、无限耐用和快速随机存取等优点，是下一代存储器最有力的竞争者。磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）是所有磁随机存储器的核心元件。其中，垂直磁隧道结（perpendicular MTJ, p-MTJ）已经商业化，广泛应用于自旋转移矩磁随机存储器以及超大规模集成电路。垂直MTJ的自由层的磁矩方向分为倾斜与垂直两类，倾斜自由层p-MTJ主要应用于自旋转矩振荡器，垂直自由层p-MTJ主要应用于磁随机存储器。垂直自由层的磁各向异性通常强于倾斜自由层，因此其调控往往更有难度。清华大学赵永刚课题组对以应变为媒介铁磁/铁电多铁异质结构实现电场调控磁性进行了一系列的研究。最近，该课题组实现了非易失性电场调控垂直磁性隧道结(垂直自由层)特性，是继调控倾斜自由层垂直磁性隧道结(Sci. Adv. 10, eadj8379 (2024))后的一个新进展。

       该课题组在PMN-PT(001)铁电单晶衬底上生长加工了p-MTJ（图1A），表征不同电场下电阻随磁场变化的行为（图1C）以及零磁场下电阻随电场的行为（图1D），实现了室温零磁场下电场对p-MTJ电阻非挥发性的调控（37.8%）。在脉冲磁场辅助预置下，利用脉冲电场调控p-MTJ的电阻（图1F），调控量为35.8%，得到两个可以稳定切换的电阻状态。同时在平衡态附近依然存在较小的可恢复且非挥发性调控（图1G），非挥发调控量为22 Ω，无外磁场辅助下可以通过电场得到两个稳定切换的电阻状态（图1H）。利用XRD表征衬底应变对电场的响应行为（图1B）。利用MPMS表征了电场对p-MTJ连续膜磁化强度的调控，表现为单次调控，与电场调控p-MTJ电阻行为一致。利用微磁学模拟对实验现象进行了解释，计算了内部能量与电场关系，揭示了电场调控的物理机制，即电场导致的应变诱导了自由层反向磁畴的产生（由单畴态诱导为等效面内的多畴态，如图1E所示，有利于体系总能量的下降），使得p-MTJ电阻发生变化。本研究为电场调控p-MTJ器件提供了新的思路，有助于发展高密度、低功耗的自旋电子学器件。

图1 (A)样品结构和电场调控示意图。(B) PMN-PT(001)衬底加电场面外应变与面内应变。(C) E = ±0 kV/cm对应的R-H曲线，红色和绿色箭头分别表示自由层和参考层的磁矩方向。(D)零磁场下p-MTJ电阻随电场的依赖性。(E) E = ±0 kV/cm对应的自由层等效磁矩方向。(F) +10 kV/cm和-10 kV/cm电场脉冲诱导双稳态电阻态。(G)零磁场下多畴态后电阻随电场变化。(H)零磁场下+10 kV/cm和-10 kV/cm电场脉冲诱导双稳态电阻态。

       该研究成果以“Electric-field control of nonvolatile resistance state of perpendicular magnetic tunnel junction via magnetoelectric coupling”为题于2024年4月19日发表在《科学·进展》(Science Advances)上。清华大学物理系赵永刚教授和北京航空航天大学赵巍胜教授为该论文通讯作者，清华大学2017级物理系博士生张一可、2016级物理系博士生孙维登为该论文的共同第一作者。论文合作者包括中科院物理所蔡建旺研究员、兰州大学崔宝山青年研究员、延边大学朴红光教授。本工作实现了非易失性电场调控垂直磁性隧道结(垂直自由层)特性，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)）、室温零磁场下实现了电场对面内各向异性隧道磁电阻的非易失调控（Nat. Commun. 10, 243 (2019)）及非易失性电场调控垂直磁性隧道结特性(倾斜自由层)(Sci. Adv. 10, eadj8379 (2024))后的一个新进展。