奈米異質結構在室溫下180°磁化切換：電壓驅動、電荷介導

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近來，依賴電壓而無需電流驅動的180°磁化切換，為基於自旋電子學實現功耗最小和尺寸更小的器件設計變革提供了可能性。然而，有些研究卻難以實現電壓驅動的全180°切換，有些研究並沒有考慮到尺寸小到數十奈米時，溫度或高溫熱漲落對這種磁化切換的影響。溫度效應會使磁性180°切換忽有忽無。來自德國達姆施塔特技術大學的Min Yi等透過第一性原理計算和有限溫度下磁化動力學模擬相結合，研究了橫向尺寸為幾十奈米的外延Pt / FePt / MgO異質結，發現電壓誘導的電場在FePt / MgO異質結介面處引起電荷變化，透過影響FePt層中的磁晶各向異性，可改變異質結的易磁化軸。電場（E）誘導的介面電荷可對奈米磁體的磁各向異性（K）有很大的調製作用。特別地，K顯示出相對於E和外延應變的線性變化。透過調諧電場、外延應變和磁化動力學，在平面和垂直方向的平衡磁態下，可在室溫下快速（約4 ns）和低誤差率地實現沿平面與垂直180°面的磁化切換。這些結果為電壓驅動磁性開關器件的設計提供了深入認識。該文近期發表於

npj Computational Materials

3

：38，（2017）； doi：10。1038/s41524-017-0043-x； 標題與摘要如下，論文PDF文末點選

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Voltage-drivencharge-mediated fast 180 degree magnetization switching in nanoheterostructureat room temperature

(室溫下奈米異質結構的快速180度磁化切換：電壓驅動、電荷介導)

Min Yi， Hongbin Zhang & Bai-Xiang Xu

Voltage-driven180° magnetization switching without electric current provides the possibility for revolutionizing the spintronics。 We demonstrated the voltage-drivencharge-mediated 180° magnetization switching at room temperature by combining first-principles calculations and temperature-dependent magnetization dynamics simulation。 The electric field （

E

）-induced interface charge is found to allow a giant modulation of the magnetic anisotropy （

K

） of the nanomagnet。 Particularly

K

is revealed to vary linearly with respect to

E

and the epitaxial strain。 Magnetization dynamics simulations using the so-obtained

K

show that both in-plane and perpendicular 180° switching can be achieved by

E

pulses。 The temperature effect renders the 180° switching as probability events。 Statistical analysis indicates a fast （around 4ns） and low-error-probability 180° switching achievable at room temperature by controlling the magnitude of

E

and the pulse width。 The study inspires the rational design of miniaturized nanoscale spintronic devices where thermal fluctuation has a great impact。