铋替代的钇铁石榴石薄膜及介观结构中，应变介导的磁各向异性与磁化反转电压控制

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Strain Mediated Voltage Control of Magnetic Anisotropy and Magnetization Reversal in Bismuth-Substituted Yttrium Iron Garnet Films and Mesostructures

　　钡钛酸铅/铋-钇-铁-镓异质结通过电压诱导应变实现磁各向异性调制，90°磁化易轴切换与电压阈值相关，磁电系数达1.05×10^-7 s/m，适用于低功耗存储器和神经形态计算。

　　在现代科技的发展中，磁性材料的调控能力对于新型电子器件的开发具有重要意义。近年来，研究者们致力于探索通过外部电场调控磁性的方法，以实现低能耗、高密度的磁性存储和计算设备。本研究聚焦于一种由铋掺杂的钇铁石榴石（Bi-YIG）薄膜与压电材料PMN–PT组成的多铁异质结构，探讨了电场对磁性各向异性的影响，以及如何通过电压诱导的应变实现对磁畴状态的控制。

Bi-YIG是一种具有优异磁性和光学特性的铁氧体材料，其特性包括低损耗角正切、高磁滞回线的可调性、低吉尔伯特阻尼系数和显著的磁光效应。这些特性使其在光学隔离器、电流传感器、自旋电子学器件以及磁子器件等应用中展现出巨大潜力。相比之下，传统磁性材料如镍、钴或铁镓等金属材料虽然具有较高的磁电耦合系数，但其导电性限制了在高频应用中的表现。而Bi-YIG作为绝缘体，能够在高频率下减少电子碰撞带来的能量损耗，这为实现低功耗、高效率的磁性器件提供了新的思路。

为了实现电场对磁性的调控，研究团队采用了一种创新的材料生长策略，即在PMN–PT基底上沉积一层2.4纳米厚的非晶态二氧化硅（SiO?）缓冲层。该缓冲层的作用是避免与PMN–PT发生晶格失配，从而抑制非铁酸盐相的形成，促进Bi-YIG的石榴石结构结晶。这一策略不仅提高了Bi-YIG薄膜的质量，还为后续的电场调控磁性提供了良好的基础。

实验中，Bi-YIG薄膜被沉积在PMN–PT/SiO?异质结构上，并通过电压诱导的应变调控其磁性各向异性。当电压施加在PMN–PT的厚度方向（即[011]方向）时，会产生应变在两个相互垂直的平面方向（[100]和[011?]方向），从而改变Bi-YIG的磁滞回线特性。通过原位磁光克尔效应显微镜（MOKE）的测量，研究团队观察到了电压对磁畴行为的显著影响。在特定电压条件下，Bi-YIG的磁化易轴可以实现90度的旋转，从而显著改变其磁畴结构。

具体而言，当电压为0时，Bi-YIG的磁滞回线在平面内表现出对称性，且其磁化易轴处于某一固定方向。然而，当电压逐渐增加时，Bi-YIG的磁滞回线形状发生变化，显示出更强的各向异性。例如，在450 V的电压下，Bi-YIG的磁化易轴逐渐转向与电压施加方向一致的[100]方向，其磁滞回线变得更为方正。这种变化不仅反映了电场对磁性材料的调控能力，还揭示了应变在磁性材料中引起的磁各向异性调整机制。

此外，研究还观察到在不同方向上施加电压时，磁滞回线的饱和磁化和矫顽力发生了显著变化。例如，在[100]方向施加电压时，磁滞回线的饱和磁化和矫顽力随着电压的增加而逐渐减小，表明Bi-YIG的磁化易轴正向该方向倾斜。相反地，在[011?]方向施加电压时，磁滞回线的形状则变得更加不对称，磁化易轴逐渐转向另一方向。这些结果表明，电压不仅能够调控磁化方向，还能够影响磁畴的形成和运动特性。

为了进一步验证电压对磁性调控的影响，研究团队还对Bi-YIG微结构进行了分析，包括椭圆形和轨道形（racetrack）的磁性图案。在这些结构中，通过改变施加的电压，可以实现对磁化反转场的精确控制。例如，在0 V时，椭圆形磁性图案的磁化反转需要较高的外部磁场，而在450 V时，磁化反转场明显降低，表明电压的调控作用显著增强了磁性材料的响应能力。

轨道形结构的研究结果显示，当在[011?]方向施加磁场时，磁畴壁的产生和运动受到电压的显著影响。在450 V的电压下，磁畴壁能够在较低的磁场强度（如6 mT）下开始移动，而在0 V时则需要更高的磁场（如7 mT）才能启动磁畴壁的传播。这种现象为开发基于Bi-YIG的电压控制磁畴壁运动的神经形态计算器件提供了可能，例如模拟神经元功能的突触元件。

本研究中，Bi-YIG/PMN–PT异质结构的磁电系数被测量为1.05 × 10?? s m?1，这一数值在磁电耦合方面具有竞争力，与其他铁氧体/铁电体异质结构相比，例如La?.?Sr?.?MnO?/PMN–PT和YIG/PMN–PZT，其磁电系数相近。尽管这一数值低于某些金属/铁电体异质结构（如FeGa/PMN–PT），但其绝缘特性使其在高频应用中更具优势。

研究还发现，Bi-YIG的磁电响应不仅限于宏观尺度的材料，还可以扩展到微结构和介观结构的尺度。通过在不同电压下对Bi-YIG微结构进行分析，研究团队展示了电压如何影响磁畴的形成和运动，从而实现对磁化状态的控制。这种能力为开发低功耗、非易失性的磁性存储器件和神经形态计算设备提供了新的可能性。

在实际应用中，Bi-YIG的磁电响应特性可以被用于构建具有电压控制能力的磁性器件。例如，在非易失性存储器中，通过电压调控磁畴的反转场，可以实现更高效的写入和读取操作。而在神经形态计算中，Bi-YIG的电压控制磁畴壁传播的能力可以模拟神经元的激活行为，为构建类脑计算系统提供基础支持。

综上所述，本研究展示了通过电压诱导的应变调控Bi-YIG磁各向异性的方法，并验证了其在微结构和介观结构中的应用潜力。这些发现不仅为磁性材料的调控提供了新的途径，也为开发低功耗、高密度的磁性器件和神经形态计算系统提供了理论依据和技术支持。未来，随着材料合成技术的进一步发展和器件设计的优化，Bi-YIG在磁电耦合领域的应用前景将更加广阔。