Ceppo anisotropo in PMN-PT orientato (011). (A) Le coordinate cartesiane x, yez sono definite rispettivamente come le direzioni del cristallo [100],[011¯] e [011]. Direzioni di polarizzazione nella cella unitaria PMN-PT orientata (011), raggruppate in piano romboedrico (RIP; arancione), romboedrico in alto (RUP; blu) e ortorombico in alto (OUP; viola). Romboedrico in basso (RDOWN) e ortorombico in basso (ODOWN) non vengono mostrati ma sono, rispettivamente, RUP e OUP specchiati sul piano xy. Il taglio nel piano attraverso la cella unitaria (area grigia ombreggiata) è rettangolare con lati di lunghezza a2–√by a, dove a è il parametro del reticolo. (B) Deformazioni elettrostrittive (non in scala) della cella unitaria per i gruppi di polarizzazione cubica (polarizzazione zero FE), RIP, RUP e OUP. Le deformazioni verso il basso sono identiche a quelle verso l'alto. Le proiezioni nel piano dei vettori di polarizzazione sono mostrate per RIP (arancione chiaro) e RUP (azzurro). (C) Grafici dei ceppi di elettrostrizione lineare εxx e εyy e del ceppo anisotropo εxx - εyy per i gruppi di polarizzazione RIP, RUP e OUP. Credito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
L'accoppiamento magnetico mediato dalla deformazione in eterostrutture ferroelettriche e ferromagnetiche può offrire un'opportunità unica per la ricerca scientifica in dispositivi multifunzionali a bassa potenza. I ferroelettrici sono materiali che possono mantenere una polarizzazione elettrica spontanea e reversibile. I rilassatori-ferroelettrici che mostrano un'elevata elettrostrizione sono candidati ideali per i costrutti di strati ferroelettrici a causa della loro grande piezoelettricità. Sebbene le proprietà dei rilassanti ferroelettrici siano note, le loro origini meccanicistiche rimangono un mistero, dando origine a una forma enigmatica dei materiali. In aggiunta a ciò, i film sottili sono inefficaci dal bloccaggio del substrato e possono ridurre sostanzialmente le deformazioni piezoelettriche nel piano. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Shane Lindemann e un gruppo di ricerca in scienze dei materiali e fisica negli Stati Uniti e in Corea, hanno mostrato un accoppiamento magnetoelettrico a bassa tensione in un'eterostruttura a film tutto sottile utilizzando deformazioni anisotropiche indotte dall'orientamento del materiale. Il team ha utilizzato uno strato ferroelettrico ideale di Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 –PbTiO3 abbreviato PMN-PT durante questo lavoro e lo accoppiato con strati di nichel ferromagnetico per creare eterostrutture di membrana con magnetizzazione. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione e simulazioni del campo di fase, hanno chiarito la risposta della membrana per comprendere il comportamento microstrutturale dei film sottili PMN-PT, per poi impiegarli in eterostrutture magnetoelettriche piezoelettriche.
Attacco magnetoelettrico (ME)
Il controllo del campo elettrico del magnetismo, noto anche come accoppiamento magnetoelettrico inverso, ha il potenziale per l'archiviazione della memoria e le tecnologie di rilevamento di prossima generazione. Il materiale PMN-PT è interessante come materiale ferroelettrico relaxor per applicazioni come strato ferroelettrico con una grande composizione piezoelettrica. Accoppiando il relaxor-ferroelettrico con un ferromagnete contenente una grande magnetostrizione, l'accoppiamento ME inverso può essere ottenuto trasferendo la deformazione indotta dalla tensione dallo strato ferroelettrico allo strato ferromagnetico per ottenere il controllo mediato dalla deformazione dell'anisotropia nel piano, la magnetoresistenza tunneling , risonanza ferromagnetica e conducibilità. La recente spinta verso dispositivi ME a bassa potenza e lo sviluppo di sistemi micro e nanoelettromeccanici ha portato a ulteriori studi sui film sottili di relaxor-ferroelettrico. La riduzione delle dimensioni del film sottile dei rilassatori-ferroelettrici può indurre una grande riduzione della piezoelettricità a causa del bloccaggio meccanico e gli scienziati mirano quindi a superare questa sfida con successo per integrare i film sottili rilassatori-ferroelettrici in dispositivi ad alte prestazioni. In questo lavoro, Lindemann et al. ha superato il problema del bloccaggio e ha dimostrato l'accoppiamento ME mediato dalla deformazione a bassa tensione in eterostrutture a film tutto sottile. Il lavoro ha evidenziato la natura microscopica dei film sottili di relaxor-ferroelettrico per presentare un passaggio cruciale verso le loro applicazioni nei dispositivi magnetoelettrici piezoelettrici a bassa potenza.
Fabbricazione di eterostrutture di membrana PMN-PT orientate a cristallo singolo (011). (A) Eterostruttura iniziale a film sottile costituita da strati SAO/STO cresciuti con PLD e strati SRO/PMN-PT/Pt depositati per sputtering. (B) Dopo aver attaccato l'eterostruttura Pt-side in PDMS/Glass, lo strato sacrificale SAO viene inciso da H2O. (C) Dopo la rimozione dello strato tampone STO, il Ni viene depositato mediante sputtering seguito dal patterning degli strati Ni/SRO in cerchi da 160 μm. L'eterostruttura della membrana è completata dall'aggiunta dello strato protettivo SU-8 e dello strato di elettrodo Au-lifted. (D) Immagine SEM che mostra il dispositivo a membrana completato. Credito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Lindemann et al. ha misurato i cambiamenti indotti dalla deformazione dell'anisotropia magnetica nello strato di nichel utilizzando i loop di isteresi dell'effetto Kerr magneto-ottico longitudinale (MOKE), in funzione dei campi elettrici di polarizzazione PMN-PT. Hanno quindi mostrato l'importanza della rimozione del bloccaggio meccanico da parte del substrato per ottenere grandi deformazioni anisotropiche nel piano. Per poi comprendere il comportamento di deformazione dedotto dall'isteresi dell'effetto Kerr magneto-ottico, Lindeman et al. tracciato la densità di energia dell'anisotropia magnetica calcolata, determinata dal campo di saturazione degli anelli dell'asse rigido e la deformazione differenziale nota basata sulla nota magnetostrizione del nichel. Hanno quindi determinato la struttura del dominio delle membrane PMN-PT cresciute utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione. Il materiale monocristallino ha mostrato una struttura colonnare con mancata corrispondenza del reticolo durante la crescita del film. I risultati somigliavano a una struttura di dominio misto ferroelettrico e di rilassamento coerente con il modello sperimentale.
Simulazioni fase-campo di membrane PMN-PT
Per comprendere quindi il comportamento di deformazione della membrana PMN-PT, gli scienziati hanno quindi eseguito simulazioni di campo di fase. Per misurare la deformazione media, hanno calcolato il contributo di deformazione dei singoli elementi di polarizzazione spontanea, moltiplicato per il tensore di elettrostrizione. Il punto di partenza della simulazione ha indicato la struttura prevista attorno all'impronta ferroelettrica della membrana sperimentale PMN-PT. I risultati della simulazione concordavano qualitativamente con la deformazione sperimentale e le polarizzazioni misurate nella membrana PMN-PT/nichel. Mentre le deformazioni calcolate dai loop sperimentali MOKE (effetto Kerr magneto-ottico) hanno mostrato uno spostamento orizzontale e verticale rispetto alle deformazioni calcolate dalla simulazione, qualitativamente le due curve erano simili.
Proprietà magnetoelettriche (ME), ferroelettriche (FE) e piezoelettriche di eterostrutture di membrana PMN-PT. (A) I cicli di isteresi magnetica MOKE (normalizzati) in una serie di campi elettrici da −140 kV/cm (−7 V) a 90 kV/cm (4,5 V). I colori scuri sono più vicini all'impronta FE e i colori più chiari sono più lontani dall'impronta. (B) Campo magnetico di saturazione (Hsat; asse sinistro) e deformazione anisotropica calcolata (εxx - εyy; asse destro) rispetto al campo elettrico di polarizzazione estratto dai loop di isteresi HA MOKE simili a quelli mostrati in un campo elettrico ad alta polarizzazione in (A). Le barre di errore rappresentano la SD delle misurazioni di sette diversi dispositivi sulla stessa membrana. I punti di deformazione differenziale negativi (εxx − εyy <0) sono stati estratti da anelli HA MOKE con campo magnetico lungo [011¯] e punti positivi (εxx − εyy> 0) da anelli in cui il campo magnetico era lungo [100]. (C) Polarizzazione (P) rispetto alle misurazioni del circuito di isteresi del campo elettrico utilizzando l'elettrodo superiore Ni/SRO di 160 μm di diametro. Il loop arancione è stato misurato con un impulso di tensione sinusoidale di 30 kHz. La curva blu, etichettata come 0,1 Hz, è stata acquisita utilizzando una procedura di misurazione quasi-DC (vedi Metodi). (D) Permettività relativa rispetto a campo elettrico di polarizzazione. Il campo elettrico di polarizzazione è stato spazzato a 0,5 Hz e la permittività è stata misurata con un piccolo campo elettrico CA di 3,5 kV/cm RMS a 4 kHz. Da (B) a (D), vengono aggiunte le linee guida per separare il comportamento in una regione a basso campo (vicino all'impronta FE) e regioni ad alto campo. Credito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Analisi STEM dei domini presenti nella membrana PMN-PT. (A e B) Immagini a campo oscuro anulare ad alto angolo di risoluzione atomica (HAADF)–STEM lungo gli assi della zona [011¯]pc e [100]pc, rispettivamente. Gli inserti sono immagini ingrandite in ogni asse di zona. I cerchi rosa sono cationi del sito A (Pb) e i cerchi gialli sono cationi del sito B (Mg/Nb/Ti). Le frecce arancioni sono lo spostamento del sito B (δB). (C e D) Mappatura dello spostamento cationico del sito B con frecce sovrapposte che indicano regioni di ordinamento a corto raggio. Le mappe a colori mostrano la magnitudine dello spostamento atomico e le frecce mostrano la direzione dello spostamento atomico. (E e F) Mappatura della frazione di fase in ciascuna cella unitaria con ruota dei colori in base alle direzioni di spostamento del sito B previste per RIP (R1), ROP (R2) e regioni che hanno spostamenti tra gli stati R etichettati come ortorombici O1 e O2. Le regioni bianche colorate (Non) indicano la regione non polare sotto le 19:00 dello spostamento del sito B. Credito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Simulazioni phase-field della membrana (011) PMN-PT. Polarizzazione spontanea e [011] proiezione stereografica della membrana PMN-PT a (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. La legenda per la colorazione della polarizzazione spontanea è inclusa in (A). (I) Polarizzazione media nelle direzioni x, yez rispetto al campo applicato. (J) Dipendenza dal campo della deformazione media anisotropa nel pianoε¯xx−ε¯yy. In (I) e (J), sono state aggiunte linee guida per separare le regioni a basso campo e ad alto campo. Credito:Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Prospettiva
In questo modo, Shane Lindemann e colleghi hanno mostrato l'effetto magnetoelettrico (ME) a bassa tensione, mediato dalla deformazione, in un'eterostruttura a film tutto sottile. Il film si basava solo sui grandi ceppi anisotropi inerenti ai film sottili PMN-PT. La membrana PMN-PT/nichel utilizzata in questo lavoro ha ottenuto una robusta rotazione piezoelettrica di 90 gradi dell'anisotropia magnetica nel piano dello strato di nichel sotto una piccola tensione di polarizzazione per provocare un'anisotropia di deformazione, controllata dall'in- simmetria del cristallo piano del film PMN-PT. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione, gli scienziati hanno mostrato la struttura microscopica della membrana PMN-PT. Quindi, utilizzando PMN-PT sfuso, hanno mostrato come il materiale mostrava un passaggio permanente tra gli stati di polarizzazione nel piano e fuori dal piano; questo comportamento ha fornito una caratteristica desiderabile per l'archiviazione di memoria. Il lavoro fornisce informazioni chiave sul comportamento microstrutturale delle membrane a film sottile PMN-PT per mostrare le loro applicazioni nei dispositivi di accoppiamento magnetoelettrico e prevederne l'uso con una varietà di altri materiali per scoprire fenomeni piezo-guidati precedentemente sconosciuti. + Esplora ulteriormente
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