El acoplamiento magnético mediado por deformación en heteroestructuras ferroeléctricas y ferromagnéticas puede ofrecer una oportunidad única para la investigación científica en dispositivos multifuncionales de baja potencia. Los ferroeléctricos son materiales que pueden mantener una polarización eléctrica espontánea y reversible. Los relajantes ferroeléctricos que exhiben una alta electroestricción son candidatos ideales para construcciones de capas ferroeléctricas debido a su gran piezoelectricidad. Aunque se conocen las propiedades de los relajantes ferroeléctricos, sus orígenes mecánicos siguen siendo un misterio, dando lugar a una enigmática forma de materiales. Además de eso, las películas delgadas son ineficaces para sujetar el sustrato y pueden reducir sustancialmente las deformaciones piezoeléctricas en el plano. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Shane Lindemann y un equipo de investigación en ciencia de materiales y física en los EE. UU. y Corea, mostraron un acoplamiento magnetoeléctrico de bajo voltaje en una heteroestructura de película completamente delgada utilizando tensiones anisotrópicas inducidas por la orientación del material. El equipo utilizó una capa ferroeléctrica ideal de Pb(Mg_1/3 Número_2/3 )O₃ –PbTiO₃ abreviado PMN-PT durante este trabajo y lo combinó con capas superpuestas de níquel ferromagnético para crear heteroestructuras de membrana con magnetización. Usando microscopía electrónica de transmisión de barrido y simulaciones de campo de fase, aclararon la respuesta de la membrana para comprender el comportamiento microestructural de las películas delgadas de PMN-PT, para luego emplearlas en heteroestructuras magnetoeléctricas piezoeléctricas.

Acoplamiento magnetoeléctrico (ME)

El control del campo eléctrico del magnetismo, también conocido como acoplamiento magnetoeléctrico inverso, tiene potencial para las tecnologías de detección y almacenamiento de memoria de próxima generación. El material PMN-PT es de interés como material relaxor-ferroeléctrico para aplicaciones como capa ferroeléctrica con una gran composición piezoeléctrica. Al acoplar el relajante ferroeléctrico con un ferroimán que contiene una gran magnetoestricción, se puede lograr un acoplamiento ME inverso al transferir la tensión inducida por el voltaje de la capa ferroeléctrica a la capa ferromagnética para dar como resultado el control de la anisotropía en el plano mediado por la tensión, la magnetorresistencia de efecto túnel. , resonancia ferromagnética y conductividad. El impulso reciente hacia dispositivos ME de baja potencia y el desarrollo de sistemas micro y nanoelectromecánicos ha llevado a un mayor estudio de las películas delgadas relajantes ferroeléctricas. La reducción de las dimensiones de la película delgada de los relajantes ferroeléctricos puede inducir una gran reducción en la piezoelectricidad debido a la sujeción mecánica y, por lo tanto, los científicos pretenden superar este desafío con éxito para integrar películas delgadas relajantes ferroeléctricas en dispositivos de alto rendimiento. En este trabajo, Lindemann et al. superó el problema de sujeción y demostró el acoplamiento ME mediado por tensión de bajo voltaje en heteroestructuras de película delgada. El trabajo destacó la naturaleza microscópica de las películas delgadas ferroeléctricas relajantes para presentar un paso crucial hacia sus aplicaciones en dispositivos magnetoeléctricos piezoeléctricos de baja potencia.

Lindemann et al. midió los cambios inducidos por la tensión de la anisotropía magnética en la capa superior de níquel utilizando bucles de histéresis del efecto Kerr magneto-óptico longitudinal (MOKE), en función de los campos eléctricos de polarización PMN-PT. Luego demostraron la importancia de eliminar la sujeción mecánica del sustrato para lograr grandes deformaciones anisótropas en el plano. Para luego comprender el comportamiento de la deformación inferido de la histéresis del efecto Kerr magneto-óptico, Lindeman et al. trazó la densidad de energía de anisotropía magnética calculada, determinada a partir del campo de saturación de los bucles de eje duro, y la tensión diferencial conocida basada en la magnetoestricción conocida del níquel. Luego determinaron la estructura del dominio de las membranas de PMN-PT a medida que crecían mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido. El material monocristalino mostró una estructura columnar con desajuste de red durante el crecimiento de la película. Los hallazgos se asemejaron a una estructura mixta de dominio ferroeléctrico y relajante consistente con el modelo experimental.

Simulaciones de campo de fase de membranas PMN-PT

Luego, para comprender el comportamiento de tensión de la membrana PMN-PT, los científicos realizaron simulaciones de campo de fase. Para medir la tensión media, calcularon la contribución de la tensión de los elementos de polarización espontánea individuales, multiplicada por el tensor de electroestricción. El punto de partida de la simulación indicó la estructura esperada alrededor de la huella ferroeléctrica de la membrana PMN-PT experimental. Los resultados de la simulación coincidieron cualitativamente con la tensión experimental y las polarizaciones medidas en la membrana PMN-PT/níquel. Si bien las tensiones calculadas a partir de los bucles experimentales MOKE (efecto Kerr magneto-óptico) exhibieron un desplazamiento horizontal y vertical en relación con las tensiones calculadas a partir de la simulación, cualitativamente, las dos curvas fueron similares.

Perspectiva

De esta manera, Shane Lindemann y sus colegas demostraron el efecto magnetoeléctrico (ME) de bajo voltaje, mediado por tensión, en una heteroestructura de película delgada. La película solo se basó en las grandes tensiones anisotrópicas inherentes a las películas delgadas de PMN-PT. La membrana de PMN-PT/níquel utilizada en este trabajo logró una rotación robusta de 90 grados impulsada por piezoeléctricos de la anisotropía magnética en el plano de la capa superior de níquel bajo un pequeño voltaje de polarización para dar como resultado una anisotropía de deformación, controlada por el in- simetría de cristal plano de la película PMN-PT. Usando microscopía electrónica de transmisión de barrido, los científicos mostraron la estructura microscópica de la membrana PMN-PT. Luego, utilizando PMN-PT a granel, mostraron cómo el material exhibió un cambio permanente entre los estados de polarización en el plano y fuera del plano; este comportamiento proporcionó un rasgo deseable para el almacenamiento de memoria. El trabajo proporciona información clave sobre el comportamiento microestructural de las membranas de película delgada de PMN-PT para mostrar sus aplicaciones en dispositivos de acoplamiento magnetoeléctrico y también para predecir su uso con una variedad de otros materiales para descubrir fenómenos piezoeléctricos previamente desconocidos. + Explora más

La comprensión de las propiedades ferroeléctricas de los relajantes podría conducir a muchos avances

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