低压压电薄膜是自旋电子学的一大进步

随着低功耗、超快、高效技术的发展，计算将在不久的将来经历一些重大转变，以取代使数字时代的前半个世纪成为可能的硅晶体管。其中最有前途的技术之一是自旋电子学，利用电子的固有量子自旋状态来控制纳米级晶体管。

然而，如此精确地控制自旋和由此产生的磁性是一项挑战。这就是为什么研究人员正在寻找能够在纳米尺度上更好地控制磁性的新型材料。

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发了一种由弛豫铁电材料铌酸铅镁钛酸铅(PMN-PT)和铁磁性镍组成的全薄膜复合材料，该材料显示了电压和自旋之间的内在耦合。当他们对结构施加电压时，它会旋转镍层的自旋，这是一种对自旋电子学很重要的磁电效应。极薄的结构允许使用低电压。他们在2021年11月12日发表在该杂志上的一篇论文中描述了这一进展科学的进步．

弛豫铁电材料如PMN-PT具有高压电性。这就意味着，当像弯曲或挤压这样的应变作用于它们时，它们会产生一点电流，与压电打火机的工作原理相同。反之亦然;如果给这种材料通电，它就会膨胀或收缩。如果研究人员将它们与另一种材料配对，这种材料的磁性在施加应变时发生变化，他们就可以精确地控制这些材料的磁性。

问题是，当弛豫铁电体被压缩成当今微型电子产品所需的薄膜时，它们失去了大部分压电特性。这是因为它们通常被夹在较厚的基材上，限制了它们的膨胀和收缩。为了获得完全的压电响应，这些薄膜必须完全脱离衬底。

“我们的想法是，我们试图拉伸或压缩这种压电材料，”他说马克Rzchowski他是该研究的合著者，也是威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授。“例如，如果你有一块橡胶，你可以很容易地拉伸它。但如果你把它粘在一块木头上，你就不能再拉伸它了。PMN-PT也是如此。如果它粘在衬底上，你就不能压缩或膨胀它。”

来制作薄膜，同事Chang-Beom加工他是材料科学与工程在威斯康星大学麦迪逊分校，利用各种技术创造了一种异质结构，在钛酸锶的顶部生长了极薄的铝酸锶层。然后他在压电PMN-PT上分层，并将多层薄膜置于水中，水蚀刻掉了铝酸锶层，只留下一层PMN-PT薄膜。然后，他在其表面涂上一层镍，形成了铁电和铁磁材料的复合薄膜异质结构。

PMN-PT固有的晶体特性决定了压电PMN-PT的拉伸和压缩，从而使镍层应变，使其自旋在平面上旋转。Rzchowski的团队使用紧密聚焦的激光束通过磁光克尔效应来探测磁旋转。

严智廉说:“我们正在使用所谓的巨型压电材料。“用非常小的电压，你可以得到非常大的应变。”

在如此小的范围内控制磁性的能力意味着有可能使用这种或类似的压电复合薄膜来制造薄的、高效的自旋电子存储器件。也有可能使用同样的材料作为传感器。

Eom说:“如果你试图测量一些旋转磁化的小磁场，那么该设备就会向后工作，使压电材料变形，从而产生一个小的、可检测的电压。”

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室项目经理Evan Runnerstrom表示，该方法具有潜力。他说:“这一结果建立在多年来陆军资助的关于复杂氧化物薄膜、异质结构和大块单晶中耦合磁性和电子行为的研究基础之上。”“在这里，Eom教授和Rzchowski教授已经证明了独立压电膜结合了两个世界的优点:单晶的无应变特性和薄膜的易于切换行为。这为实现强大、快速和低功耗的磁性数据存储开辟了一条道路，这将支持陆军对自动驾驶车辆、传感器和通信平台日益增长的计算和数据存储需求。”

-编辑克里斯Vavra，网络内容经理，控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com．

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