Control de magnetismo no volátil mediante campo eléctrico en heteroestructuras Co₂FeAl/PMN-PT a temperatura ambiente

Resumen

Demostramos que una aleación Heusler semi-metálica, Co₂FeAl, depositada sobre un sustrato piezoeléctrico de Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃ (PMN-PT), exhibe cambios no volátiles inducidos por campo eléctrico en sus propiedades magnéticas a temperatura ambiente. Al aplicar campos eléctricos pulsados a lo largo de los ejes cristalinos [100] y [01–1], logramos dos estados estables de magnetización remanente gigante que persisten tras la retirada del campo. El efecto proviene de la gran piezo-deformación generada en la capa PMN-PT, ofreciendo una vía viable para dispositivos de memoria magnetoeléctrica.

Antecedentes

La creciente demanda de almacenamiento de información de alta velocidad, bajo consumo y no volátil ha impulsado el interés en el acoplamiento magnetoeléctrico (ME) dentro de heteroestructuras ferromagnéticas/ferroeléctricas (FM/FE). El acoplamiento ME surge principalmente mediante tres mecanismos: piezo-deformación, carga y sesgo de intercambio. El efecto piezo-deformación, en particular, permite que un campo eléctrico aplicado genere deformación en la capa ferroeléctrica, la cual a su vez modula la anisotropía magnética de un ferromagneto adyacente. El PMN-PT, con un gran coeficiente piezoeléctrico d₃₃, se emplea ampliamente como componente ferroeléctrico porque su deformación se transfiere eficientemente a la película magnética. El Co₂FeAl (CFA), una aleación Heusler semi-metálica, es una opción atractiva de FM debido a su bajo amortiguamiento, alta polarización de espín y temperatura de Curie superior a 1000 K, lo que lo hace ideal para aplicaciones espintrónicas. Trabajos previos han mostrado que la deformación inducida por campo eléctrico puede rotar el eje magnético fácil en bicapas FM/FE, pero una demostración clara de control reversible y no volátil de la magnetización a temperatura ambiente seguía siendo esquiva. En este estudio, cubrimos esa brecha al mostrar que una heteroestructura CFA/PMN-PT (011) retiene dos estados distintos de magnetización remanente tras la retirada del campo eléctrico, un sello de operación no volátil apto para tecnologías de memoria.

Métodos

La heteroestructura consiste en una película de CFA de 40 nm pulverizada sobre un sustrato PMN-PT orientado (011). La pulverización catódica DC se realizó a 600 °C bajo presión de Ar de 0,1 Pa (10 SCCM). La presión base fue de 2 × 10⁻⁵ Pa. Se depositaron electrodos de platino (10 nm superior, 50 nm inferior) desde un blanco de 2 mm. Alambres de Cu se unieron a los electrodos con adhesivo conductor. Las propiedades magnéticas estáticas se midieron con un magnetómetro de muestra vibrante (VSM, MicroSense EV9) mientras se aplicaba un voltaje DC de una fuente Keithley 2410 a la capa piezoeléctrica. Las imágenes de dominios magnéticos se obtuvieron por microscopía de fuerza magnética (MFM) usando un sistema Asylum Research© MFP-3D con puntas magnéticas suaves magnetizadas perpendicularmente al plano de la muestra. Todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente.

Resultados y Discusión

La heteroestructura CFA/PMN-PT se ilustra en la Fig. 1a, con el sistema de coordenadas en plano mostrado en la Fig. 1b. El campo de deformación inducido por campo eléctrico efectivo (Hσ) es ortogonal al campo de anisotropía magnética (Hk). Definimos la dirección [100] como 0° y [01–1] como 90° (ver Fig. 1b). Los bucles de polarización-campo eléctrico (P-E, 1 Hz) y deformación-campo eléctrico (S-E) del PMN-PT, medidos con medidores ferroeléctricos y de deformación, se presentan en la Fig. 1c, revelando una polarización de saturación de ≈25 µC cm⁻² y un campo coercitivo de ≈100 V (2,5 kV cm⁻¹). La imagen MFM tras retirar un campo de 1000 Oe (Fig. 1d) muestra un patrón de dominios en franjas, indicativo de una fuerte anisotropía magnética perpendicular. Los ciclos de histéresis medidos a lo largo de [100] y [01–1] bajo campos eléctricos de ±0 y ±5 kV cm⁻¹ (Fig. 2a) confirman una clara anisotropía en plano. El eje fácil se encuentra a lo largo de [100] en el estado de polarización remanente (−0 kV cm⁻¹), mientras que se produce una rotación de 90° cuando el sustrato se polariza a +5 kV cm⁻¹ (Fig. 2b). La anisotropía desaparece en el estado +0 kV cm⁻¹ (Fig. 2c) y reaparece a lo largo de [100] al cambiar el campo a –5 kV cm⁻¹ (Fig. 2d). Las mediciones VSM rotacionales (Fig. 2e) revelan que la magnetización remanente relativa (Mr/Ms) sigue una dependencia sinusoidal del ángulo acimutal, con el eje fácil rotando 90° al variar el campo eléctrico. La dependencia del campo eléctrico de la magnetización remanente se examinó barriendo E de +10 a –10 kV cm⁻¹ tras desmagnetizar la muestra (Fig. 3a,c). Las curvas resultantes de Mr/Ms en forma de mariposa reflejan el comportamiento deformación-E, confirmando que la deformación domina el control de la magnetización. La magnetización residual en el estado de polarización remanente (±0 kV cm⁻¹) difiere de la tras ±10 kV cm⁻¹, reflejando la tensión residual intrínseca del sustrato PMN-PT. Para demostrar control no volátil, se aplicaron campos eléctricos pulsados de ±5 o ±10 kV cm⁻¹ mientras la muestra se saturaba primero a 1200 Oe y luego se llevaba a campo cero (Fig. 4). Los valores resultantes de Mr/Ms (etiquetados A–H) muestran cuatro estados distintos y estables que persisten tras el pulso, tanto a lo largo de [100] como de [01–1]. Este comportamiento multiestado ilustra el potencial del control mediado por piezo-deformación para dispositivos de memoria polimórficos.

Conclusiones

Hemos demostrado que una heteroestructura CFA/PMN-PT exhibe modulación no volátil, inducida por campo eléctrico, de la anisotropía magnética y la magnetización remanente a temperatura ambiente. La estructura de dominios en franjas observada por MFM y la rotación de 90° del eje fácil bajo ±5 kV cm⁻¹ confirman el control mediado por piezo-deformación. Además, los campos eléctricos pulsados generan cuatro estados remanentes estables, ofreciendo una ruta hacia dispositivos de memoria magnetoeléctrica multinivel.

Abreviaturas

CFA

Co₂FeAl

DC

Corriente continua

FM/FE

Ferromagnético/ferroeléctrico

ME

Magnetoeléctrico

MFM

Microscopía de fuerza magnética

PMN-PT

Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–30%PbTiO₃

VSM

Magnetómetro de muestra vibrante