Co₂FeAl/PMN-PT 이종구조에서 상온 비휘발성 자기장 전기장 제어 구현

초록

반금속 호이스러 합금인 Co₂FeAl을 Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃(PMN-PT) 압전 기판 위에 증착한 이종구조에서 상온 비휘발성 자기 특성 전기장 제어를 입증했습니다. [100] 및 [01-1] 결정축 방향으로 펄스 전기장을 인가해 자기장이 제거된 후에도 안정한 두 가지 거대 잔류 자화 상태를 구현했습니다. 이 효과는 PMN-PT 층에서 생성되는 거대한 압전 변형에서 기인하며, 자기전기 메모리 소자로의 실용적 경로를 제시합니다.

배경

고속, 저전력, 비휘발성 정보 저장에 대한 수요 증가로 강자성/강유전체(FM/FE) 이종구조 내 자기전기(ME) 결합 연구가 활발해졌습니다. ME 결합은 주로 압전 변형, 전하, 교환 바이어스 세 가지 메커니즘으로 발생합니다. 특히 압전 변형 효과는 인가된 전기장이 강유전체 층에 변형을 생성하고, 이것이 인접 강자성체의 자기 이방성을 조절하도록 합니다. 큰 d₃₃ 압전 계수를 가진 PMN-PT는 변형이 자성 박막에 효율적으로 전달돼 강유전체 구성요소로 널리 쓰입니다. 반금속 호이스러 합금인 Co₂FeAl(CFA)은 낮은 감쇠, 높은 스핀 분극, 1000 K 이상의 퀴리 온도 덕분에 스핀트로닉스 응용에 이상적인 강자성체 선택지입니다. 선행 연구에서 전기장 유도 변형이 FM/FE 이중층의 자기 쉬운 축을 회전시킬 수 있음을 보였으나, 상온에서 비휘발성 및 가역적 자화 제어의 명확한 실증은 아직 부족했습니다. 본 연구는 CFA/PMN-PT (011) 이종구조가 전기장 제거 후 두 가지 뚜렷한 잔류 자화 상태를 유지함을 보여 이 공백을 메웠으며, 이는 메모리 기술에 적합한 비휘발성 동작의 특징입니다.

방법

이종구조는 (011) 방향 PMN-PT 기판 위에 DC 마그네트론 스퍼터링으로 증착한 40 nm CFA 박막으로 구성됩니다. 스퍼터링은 Ar 압력 0.1 Pa(10 SCCM), 600°C에서 수행했습니다. 기본 진공도는 2×10⁻⁵ Pa였습니다. 백금 전극(상부 10 nm, 하부 50 nm)을 2 mm 타깃에서 증착했습니다. Cu 전선을 전도성 접착제로 전극에 본딩했습니다. 정적 자기 특성은 진동 시료 자력계(VSM, MicroSense EV9)로 측정하며 Keithley 2410 소스로 압전 층에 DC 전압을 인가했습니다. 자기 영역 이미지는 연자성 팁을 시료 면에 수직으로 자화한 Asylum Research© MFP-3D 시스템의 자기력 현미경(MFM)으로 획득했습니다. 모든 측정은 상온에서 수행했습니다.

결과 및 고찰

CFA/PMN-PT 이종구조는 그림 1a에 도시됐으며, 면내 좌표계는 그림 1b에 나타냈습니다. 유효 전기장 유도 변형장(Hσ)은 자기 이방성장(Hk)과 직교합니다. [100] 방향을 0°, [01-1]을 90°로 정의했습니다(그림 1b 참조). 강유전체 및 변형 게이지로 측정한 PMN-PT의 분극-전기장 루프(P-E, 1 Hz)와 변형-전기장 곡선(S-E)은 그림 1c에 제시돼 있으며, 포화 분극 약 25 µC cm⁻²와 보자력 약 100 V(2.5 kV cm⁻¹)를 나타냅니다. 1000 Oe 자기장 제거 후 MFM 이미지(그림 1d)는 스트라이프 영역 패턴을 보여 강한 수직 자기 이방성을 시사합니다.

±0 및 ±5 kV cm⁻¹ 전기장에서 [100]과 [01-1] 방향을 따라 측정한 이력 루프(그림 2a)는 명확한 면내 이방성을 확인시켜줍니다. 잔류 분극 상태(-0 kV cm⁻¹)에서 쉬운 축은 [100] 방향에 놓이며, 기판이 +5 kV cm⁻¹로 분극되면 90° 회전합니다(그림 2b). +0 kV cm⁻¹ 상태에서 이방성은 사라집니다(그림 2c). -5 kV cm⁻¹로 전환하면 다시 [100] 방향으로 쉬운 축이 나타납니다(그림 2d). 회전 VSM 측정(그림 2e)은 상대 잔류 자화(Mr/Ms)가 방위각에 대해 정현파 의존성을 보이며, 전기장 변화에 따라 쉬운 축이 90° 회전함을 보여줍니다.

시료를 탈자시킨 후 전기장을 +10에서 -10 kV cm⁻¹로 스위핑하며 잔류 자화의 전기장 의존성을 추가로 조사했습니다(그림 3a,c). 나비 모양의 Mr/Ms 곡선은 변형-E 거동을 반영해 변형이 자화 제어를 지배함을 확인시켜줍니다. 잔류 분극 상태(±0 kV cm⁻¹)에서의 잔류 자화는 ±10 kV cm⁻¹ 후와 다릅니다. 이는 PMN-PT 기판의 고유 잔류 응력을 반영합니다.

비휘발성 제어를 입증하기 위해 시료를 1200 Oe로 포화시킨 후 영 자기장 상태에서 ±5 또는 ±10 kV cm⁻¹ 펄스 전기장을 인가했습니다(그림 4). 결과 Mr/Ms 값(A-H)은 펄스 제거 후 [100]과 [01-1] 방향 모두에서 지속되는 네 가지 안정한 상태를 보여줍니다. 이 다중 상태 거동은 다중 레벨 자기전기 메모리 소자로의 압전 변형 매개 제어 잠재력을 보여줍니다.

결론

CFA/PMN-PT 이종구조가 상온에서 비휘발성 전기장 유도 자기 이방성 및 잔류 자화 조절을 나타냄을 보였습니다. MFM으로 관찰된 스트라이프 영역 구조와 ±5 kV cm⁻¹ 하 쉬운 축의 90° 회전은 압전 변형 매개 제어를 확증합니다. 또한 펄스 전기장이 네 가지 안정한 잔류 상태를 생성해 다중 레벨 자기전기 메모리 소자로의 길을 엽니다.

약어

CFA

Co₂FeAl

DC

직류

FM/FE

강자성/강유전체

ME

자기전기

MFM

자기력 현미경

PMN-PT

Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–30%PbTiO₃

VSM

진동 시료 자력계