Acoplamento magnetoelétrico de baixa tensão em heteroestruturas de membrana

Estirpe anisotrópica em PMN-PT orientado (011). (A) As coordenadas cartesianas x, yez são definidas como as direções do cristal [100],[011¯] e [011], respectivamente. Direções de polarização na célula unitária PMN-PT orientada (011), agrupada em plano romboédrico (RIP; laranja), romboédrico para cima (RUP; azul) e ortorrômbico para cima (OUP; roxo). Romboédrico para baixo (RDOWN) e ortorrômbico para baixo (ODOWN) não são mostrados, mas são, respectivamente, RUP e OUP espelhados em torno do plano xy. O corte no plano através da célula unitária (área cinza sombreada) é retangular com lados de comprimento a2–√by a, onde a é o parâmetro de rede. (B) Deformações eletrostritivas (sem escala) da célula unitária para os grupos de polarização cúbicos (polarização FE zero), RIP, RUP e OUP. As deformações para baixo são idênticas às de cima. Projeções no plano de vetores de polarização são mostradas para RIP (laranja claro) e RUP (azul claro). (C) Gráficos de cepas de eletrostrição linear εxx e εyy e a cepa anisotrópica εxx − εyy para grupos de polarização RIP, RUP e OUP. Crédito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294

O acoplamento magnético mediado por deformação em heteroestruturas ferroelétricas e ferromagnéticas pode oferecer uma oportunidade única para pesquisa científica em dispositivos multifuncionais de baixa potência. Ferroelétricos são materiais que podem manter a polarização elétrica espontânea e reversível. Relaxor-ferroelétricos que exibem alta eletrostrição são candidatos ideais para construções de camadas ferroelétricas devido à sua grande piezoeletricidade. Embora as propriedades dos ferroelétricos relaxantes sejam conhecidas, suas origens mecanicistas permanecem um mistério, dando origem a uma forma enigmática de materiais. Além disso, os filmes finos são ineficazes na fixação do substrato e podem reduzir substancialmente as deformações piezoelétricas no plano. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Shane Lindemann e uma equipe de pesquisa em ciência de materiais e física nos EUA e na Coréia, exibiram acoplamento magnetoelétrico de baixa tensão em uma heteroestrutura de filme fino usando deformações anisotrópicas induzidas pela orientação do material. A equipe usou uma camada ferroelétrica ideal de Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 )O₃ –PbTiO₃ abreviou PMN-PT durante este trabalho e acoplou-o com camadas de níquel ferromagnético para criar heteroestruturas de membrana com magnetização. Usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura e simulações de campo de fase, eles esclareceram a resposta da membrana para entender o comportamento microestrutural de filmes finos de PMN-PT, para então empregá-los em heteroestruturas magnetoelétricas piezo-dirigidas.
Acoplamento magnético (ME)

O controle do campo elétrico do magnetismo, também conhecido como acoplamento magnetoelétrico inverso, tem potencial para armazenamento de memória de próxima geração e tecnologias de detecção. O material PMN-PT é de interesse como material ferroelétrico relaxor para aplicações como a camada ferroelétrica com uma grande composição piezoelétrica. Ao acoplar o relaxor-ferroelétrico com um ferromagneto contendo grande magnetostrição, o acoplamento ME inverso pode ser alcançado transferindo a tensão induzida por tensão da camada ferroelétrica para a camada ferromagnética para resultar no controle mediado por deformação da anisotropia no plano, magnetoresistência de tunelamento , ressonância ferromagnética e condutividade. O recente impulso para dispositivos ME de baixa potência e o desenvolvimento de sistemas micro e nanoeletromecânicos levaram a um estudo mais aprofundado de filmes finos ferroelétricos de relaxamento. Reduzir as dimensões do filme fino de relaxantes ferroelétricos pode induzir uma grande redução na piezoeletricidade devido ao aperto mecânico, e os cientistas, portanto, pretendem superar esse desafio com sucesso para integrar filmes finos relaxor-ferroelétricos em dispositivos de alto desempenho. Neste trabalho, Lindemann et al. superou o problema de fixação e demonstrou acoplamento ME mediado por tensão de baixa tensão em heteroestruturas de filmes finos. O trabalho destacou a natureza microscópica dos filmes finos ferroelétricos relaxantes para apresentar um passo crucial para suas aplicações em dispositivos magnetoelétricos de baixa potência acionados por piezo.

Fabricação de heteroestruturas de membrana PMN-PT orientadas a um único cristal (011). (A) Heteroestrutura de filme fino inicial consistindo de camadas SAO/STO cultivadas por PLD e camadas SRO/PMN-PT/Pt depositadas por pulverização catódica. (B) Depois de anexar a heteroestrutura Pt-side em PDMS/Glass, a camada sacrificial SAO é gravada por H2O. (C) Após a remoção da camada tampão STO, o Ni é depositado por pulverização catódica seguida de padronização das camadas Ni/SRO em círculos de 160 μm. A heteroestrutura da membrana é completada pela adição da camada protetora SU-8 e da camada de eletrodos com Au. (D) imagem SEM mostrando o dispositivo de membrana completo. Crédito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294

Desenvolvimento e caracterização de heteroestruturas de membrana

Lindemann et ai. mediram as mudanças de anisotropia magnética induzidas por deformação na camada de níquel usando loops de histerese de efeito Kerr magneto-óptico longitudinal (MOKE), em função de campos elétricos de polarização PMN-PT. Eles então mostraram a importância de remover a fixação mecânica pelo substrato para obter grandes deformações anisotrópicas no plano. Para então compreender o comportamento de deformação inferido a partir da histerese magneto-óptica do efeito Kerr, Lindeman et al. plotou a densidade de energia de anisotropia magnética calculada, determinada a partir do campo de saturação de loops de eixo rígido, e a tensão diferencial conhecida com base na magnetostrição conhecida de níquel. Eles então determinaram a estrutura do domínio das membranas PMN-PT crescidas usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura. O material monocristalino apresentou uma estrutura colunar com descasamento de rede durante o crescimento do filme. As descobertas se assemelham a uma estrutura mista de domínio ferroelétrico e relaxador consistente com o modelo experimental.

Simulações de campo de fase de membranas PMN-PT

Para então entender o comportamento de tensão da membrana PMN-PT, os cientistas realizaram simulações de campo de fase. Para medir a deformação média, eles calcularam a contribuição da deformação de elementos individuais de polarização espontânea, multiplicada pelo tensor de eletrostrição. O ponto de partida da simulação indicou a estrutura esperada ao redor da impressão ferroelétrica da membrana experimental PMN-PT. Os resultados da simulação concordaram qualitativamente com a deformação experimental e as polarizações medidas na membrana PMN-PT/níquel. Enquanto as deformações calculadas a partir das malhas experimentais MOKE (efeito de Kerr magneto-óptico) exibiram um deslocamento horizontal e vertical em relação às deformações calculadas da simulação, qualitativamente, as duas curvas foram semelhantes.

Propriedades magnetoelétricas (ME), ferroelétricas (FE) e piezoelétricas de heteroestruturas de membrana PMN-PT. (A) Loops de histerese magnética MOKE (normalizados) em uma série de campos elétricos de -140 kV/cm (-7 V) a 90 kV/cm (4,5 V). As cores escuras estão mais próximas da impressão FE e as cores mais claras estão mais distantes da impressão. (B) Campo magnético de saturação (Hsat; eixo esquerdo) e deformação anisotrópica calculada (εxx − εyy; eixo direito) versus campo elétrico polarizado extraído de laços de histerese HA MOKE semelhantes aos mostrados no campo elétrico de alta polarização em (A). As barras de erro representam o SD das medições de sete dispositivos diferentes na mesma membrana. Pontos de deformação diferencial negativos (εxx − εyy <0) foram extraídos de laços HA MOKE com campo magnético ao longo de [011¯] e pontos positivos (εxx − εyy> 0) de laços onde o campo magnético estava ao longo de [100]. (C) Polarização (P) vs medições de loop de histerese de campo elétrico usando o eletrodo superior Ni/SRO de 160 μm de diâmetro. O laço laranja foi medido com um pulso de tensão senoidal de 30 kHz. A curva azul, rotulada como 0,1 Hz, foi adquirida usando um procedimento de medição quase-DC (ver Métodos). (D) Permissividade relativa versus campo elétrico polarizador. O campo elétrico de polarização foi varrido a 0,5 Hz e a permissividade foi medida com um pequeno campo elétrico AC de 3,5 kV/cm RMS a 4 kHz. Para (B) a (D), as diretrizes são adicionadas para separar o comportamento em uma região de baixo campo (perto da impressão FE) e regiões de alto campo. Crédito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Análise STEM de domínios presentes na membrana PMN-PT. (A e B) Imagens de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF)–STEM de resolução atômica ao longo dos eixos da zona [011¯]pcan e [100]pc, respectivamente. As inserções são imagens ampliadas em cada eixo de zona. Círculos rosa são cátions do sítio A (Pb) e círculos amarelos são cátions do sítio B (Mg/Nb/Ti). As setas laranja são o deslocamento do sítio B (δB). (C e D) Mapeamento de deslocamento de cátions do sítio B com setas sobrepostas indicando regiões de ordenação de curto alcance. Os mapas de cores mostram a magnitude do deslocamento atômico e as setas exibem a direção do deslocamento atômico. (E e F) Mapeamento de fração de fase em cada célula unitária com roda de cores por direções de deslocamento do sítio B esperadas para RIP (R1), ROP (R2) e regiões que têm deslocamentos entre os estados R rotulados como ortorrômbicos O1 e O2. As regiões em branco coloridas (não) indicam a região apolar sob as 7 pm de deslocamento do sítio B. Crédito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Simulações de campo de fase da membrana (011) PMN-PT. Polarização espontânea e [011] projeção estereográfica da membrana PMN-PT em (A e B) 0 kV/cm, (C e D) 10 kV/cm, (E e F) 20 kV/cm, e (G e H ) 100 kV/cm. A legenda para a coloração da polarização espontânea está incluída em (A). (I) Polarização média nas direções x, yez versus campo aplicado. (J) Dependência de campo da deformação anisotrópica média no plano ε¯xx−ε¯yy. Em (I) e (J), foram adicionadas diretrizes para separar as regiões de campo baixo e campo alto. Crédito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294

Perspectivas

Desta forma, Shane Lindemann e colegas mostraram o efeito magnetoelétrico (ME) de baixa voltagem, mediado por tensão, em uma heteroestrutura de filme fino. O filme contou apenas com as grandes cepas anisotrópicas inerentes aos filmes finos de PMN-PT. A membrana PMN-PT/níquel usada neste trabalho alcançou uma rotação de 90 graus robusta e piezo-dirigida da anisotropia magnética no plano da sobrecamada de níquel sob uma pequena tensão de polarização para resultar em anisotropia de deformação, controlada pelo in- simetria de cristal plano do filme PMN-PT. Usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura, os cientistas mostraram a estrutura microscópica da membrana PMN-PT. Em seguida, usando PMN-PT em massa, eles mostraram como o material exibia uma alternância permanente entre os estados de polarização no plano e fora do plano; esse comportamento forneceu uma característica desejável para armazenamento de memória. O trabalho fornece informações importantes sobre o comportamento microestrutural de membranas de filme fino PMN-PT para mostrar suas aplicações em dispositivos de acoplamento magnetoelétrico e também prever seu uso com uma variedade de outros materiais para descobrir fenômenos piezo-dirigidos anteriormente desconhecidos. + Explorar mais