磁隨機存儲器是新一代的非易失性存儲器。隨著存儲密度的增加，必須增強其中鐵磁薄膜的磁各向異性從而保持存儲單元相對較高的熱穩(wěn)定性，但是這將不可避免地增大其寫入電流密度和器件功耗。為此，研究者們提出了多種低功耗信息寫入方法，如自旋軌道轉矩、熱輔助，以及電壓調控磁各向異性（voltage control of magneti anisotropy, vcma）。在鐵電/鐵磁（fe/fm）磁電復合材料中，通過其磁電耦合效應是一種實現(xiàn)強vcma的重要方法。它施加電壓而非電流，理論上漏電流可忽略不計，因此功耗極低。目前，這種強vcma效應通常出現(xiàn)在塊體型磁電復合材料中，尤其是以弛豫鐵電單晶為襯底的復合材料。但是塊體磁電復合材料存在體積大、驅動電壓高、難集成等缺點。硅基兼容的磁電復合薄膜是開發(fā)高集成器件的材料基礎，但其vcma效應比塊體要低1-2個數(shù)量級，限制了器件的應用開發(fā)。
圖1 硅基兼容磁電復合薄膜的電壓調控磁各向異性 （a）薄膜光學照片（b）薄膜與塊體的擊穿強度對比（c）基于磁電復合薄膜的micro-fmr器件（d）電壓調控鐵磁共振響應 （e）磁電復合薄膜中的電壓誘導磁有效場 （f）傳統(tǒng)塊體材料中的電壓誘導磁有效場
針對這一問題，西安交通大學劉明教授團隊提出構建硅基兼容的、高擊穿強度的小尺寸磁電復合薄膜，充分利用小尺寸鐵電薄膜層強場大應變增大磁電耦合響應，進而增強vcma效應的新思路。在實驗上，選擇典型的硅基鋯鈦酸鉛鐵電薄膜（經(jīng)典鐵電薄膜）和cofeb薄膜（典型鐵磁薄膜）復合。首先，采用溶膠凝膠法在鍍鉑硅片上制備出了擊穿強度高達3.2 mv/cm的pzt鐵電薄膜，進而沉積cofeb薄膜層構建磁電復合薄膜，并明確了pzt薄膜界面層增強擊穿強度的機制。其次，針對傳統(tǒng)方法（如鐵磁共振、振動樣品磁強計等）難以定量表征小尺寸磁電復合薄膜vcma效應的問題，結合微納加工手段，建立了一種基于微型鐵磁共振器件測量薄膜強場vcma效應的新方法，其靈敏度是商用振動樣品磁強計的60倍以上。然后，對比研究了該磁電復合薄膜和塊體型磁電復合材料（參照樣）的強場vcma效應。實驗上，“pzt/cofeb”磁電復合薄膜的電壓誘導磁有效場(heff)可達26.1 oe，而參照樣“pzt陶瓷/cofeb”和“pmn-pt單晶/cofeb”的heff分別為2.60 oe和18.5 oe，該磁電復合薄膜也優(yōu)于之前“pmn-pt單晶/cofeb”的文獻報道值。理論上，該磁電復合薄膜中的heff在擊穿強度附近超過60 oe，這是由一個巨大的面內壓電應變s31<-0.3%誘導的，這一應變可與當前最好的鐵電單晶材料相媲美。
本研究提出并實現(xiàn)了一種增強磁電復合薄膜vcma效應的普適方法。當前除了pzt薄膜，其他高擊穿強度鐵電薄膜不斷涌現(xiàn)，部分體系的壓電性能遠超pzt，這將促進研究一系列vcma效應優(yōu)于塊體的硅基兼容的磁電復合薄膜，推動開發(fā)低功耗、高集成的磁性和自旋電子器件。該研究以《面內大壓電應變增強硅基兼容磁電復合薄膜電壓調控磁各向異性》（large in‐plane piezo‐strain enhanced voltage control of magnetic anisotropy in si‐compatible multiferroic thin films）為題在國際著名期刊《材料視野》（materials horizons）在線發(fā)表。
西安交通大學為該論文第一作者和通信作者單位，論文第一作者為西安交大電信學部電子學院彭斌副教授、博士生魯琦和碩士生唐浩雯。西安交通大學劉明教授為論文通訊作者。西安交通大學周子堯教授，博士生程宇心、邱瑞玢、郭筠婷等為論文共同作者。
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