Advanced Materials:层状材料的应变调控为低功耗磁存储提供新思路

铁磁材料具有非易失性的磁性状态,是用来实现信息存储的理想载体。通过外场对铁磁材料进行调控,并实现可控的磁性状态变化,是磁存储器件工作的物理基础。在众多外场调控手段中,应变调控可以在较大范围内改变材料的晶格结构,有望为实现新机制磁存储提供新的思路。同时,二维层状磁性材料(CrI3, Cr2Ge2Te6 和 Fe3GeTe2等)因其独特的物性受到广泛关注。这类材料在器件小型化上拥有天然的优势,并易于产生应变调控,是应变电子学研究理想的材料体系。

南京大学缪峰-程斌/中国人民大学季威合作团队利用面内单轴应力,对层状磁性材料Fe3GeTe2(FGT)的磁性状态进行原位调控。在这项工作中,研究人员在柔性衬底上制备了FGT器件,然后利用自主研发的应变装置对器件进行原位应变调控,同时采用反常霍尔效应的测试方法来观测磁状态的变化。同时,由于该应变装置可集成在制冷机插杆上,可在极低温(1.5 K)和强磁场(12 T)的极端条件下进行测试。实验结果表明面内拉伸应变可以极大的增强FGT样品的矫顽场和居里温度,显示出对磁性极大的调节作用。同时,在拉伸应变作用下,研究人员实现了从顺磁序到多畴铁磁序,以及多畴铁磁序到单畴铁磁序之间的转变。基于居里温度、磁畴转变温度同应变的依赖关系,研究人员得到了单磁畴态、多磁畴态以及顺磁态在应变-温度平面的边界,并绘制了相图。此外,利用矫顽场对应变的强依赖关系,研究人员实现了超灵敏的应变磁翻转,所需的应变变化仅为~0.06%。最后,合作团队利用第一性原理计算了FGT样品中的磁各向异性能以及磁交换作用同单轴应变的关系。计算显示,磁各向异性能随应变的依赖关系与实验中观测到的矫顽场同应变的关系一致,而磁交换作用在应变下并没有显著的改变。因此,研究人员推断实验中观测到的应变调控行为来自于磁各向异性能的变化,这主要归因于在晶格形变时FGT样品中自旋轨道耦合效应的增强。

研究者相信,此项研究展现了利用应变来实现层状磁性材料物性调控的独特优势,并为应变磁存储器件研究提供了新的材料选择。相关论文在线发表在Advanced Materials (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004533)上。