磁随机存储器是新一代的非易失性存储器。随着存储密度的增加，必须增强其中铁磁薄膜的磁各向异性从而保持存储单元相对较高的热稳定性，但是这将不可避免地增大其写入电流密度和器件功耗。为此，研究者们提出了多种低功耗信息写入方法，如自旋轨道转矩、热辅助，以及电压调控磁各向异性（Voltage Control of Magneti Anisotropy, VCMA）。在铁电/铁磁（FE/FM）磁电复合材料中，通过其磁电耦合效应是一种实现强VCMA的重要方法。它施加电压而非电流，理论上漏电流可忽略不计，因此功耗极低。目前，这种强VCMA效应通常出现在块体型磁电复合材料中，尤其是以弛豫铁电单晶为衬底的复合材料。但是块体磁电复合材料存在体积大、驱动电压高、难集成等缺点。硅基兼容的磁电复合薄膜是开发高集成器件的材料基础，但其VCMA效应比块体要低1-2个数量级，限制了器件的应用开发。
图1 硅基兼容磁电复合薄膜的电压调控磁各向异性 （a）薄膜光学照片（b）薄膜与块体的击穿强度对比（c）基于磁电复合薄膜的Micro-FMR器件（d）电压调控铁磁共振响应 （e）磁电复合薄膜中的电压诱导磁有效场 （f）传统块体材料中的电压诱导磁有效场
针对这一问题，西安交通大学刘明教授团队提出构建硅基兼容的、高击穿强度的小尺寸磁电复合薄膜，充分利用小尺寸铁电薄膜层强场大应变增大磁电耦合响应，进而增强VCMA效应的新思路。在实验上，选择典型的硅基锆钛酸铅铁电薄膜（经典铁电薄膜）和CoFeB薄膜（典型铁磁薄膜）复合。首先，采用溶胶凝胶法在镀铂硅片上制备出了击穿强度高达3.2 MV/cm的PZT铁电薄膜，进而沉积CoFeB薄膜层构建磁电复合薄膜，并明确了PZT薄膜界面层增强击穿强度的机制。其次，针对传统方法（如铁磁共振、振动样品磁强计等）难以定量表征小尺寸磁电复合薄膜VCMA效应的问题，结合微纳加工手段，建立了一种基于微型铁磁共振器件测量薄膜强场VCMA效应的新方法，其灵敏度是商用振动样品磁强计的60倍以上。然后，对比研究了该磁电复合薄膜和块体型磁电复合材料（参照样）的强场VCMA效应。实验上，“PZT/CoFeB”磁电复合薄膜的电压诱导磁有效场(Heff)可达26.1 Oe，而参照样“PZT陶瓷/CoFeB”和“PMN-PT单晶/CoFeB”的Heff分别为2.60 Oe和18.5 Oe，该磁电复合薄膜也优于之前“PMN-PT单晶/CoFeB”的文献报道值。理论上，该磁电复合薄膜中的Heff在击穿强度附近超过60 Oe，这是由一个巨大的面内压电应变S31<-0.3%诱导的，这一应变可与当前最好的铁电单晶材料相媲美。
本研究提出并实现了一种增强磁电复合薄膜VCMA效应的普适方法。当前除了PZT薄膜，其他高击穿强度铁电薄膜不断涌现，部分体系的压电性能远超PZT，这将促进研究一系列VCMA效应优于块体的硅基兼容的磁电复合薄膜，推动开发低功耗、高集成的磁性和自旋电子器件。该研究以《面内大压电应变增强硅基兼容磁电复合薄膜电压调控磁各向异性》（Large In‐plane Piezo‐strain Enhanced Voltage Control of Magnetic Anisotropy in Si‐compatible Multiferroic Thin Films）为题在国际著名期刊《材料视野》（Materials Horizons）在线发表。
西安交通大学为该论文第一作者和通信作者单位，论文第一作者为西安交大电信学部电子学院彭斌副教授、博士生鲁琦和硕士生唐浩雯。西安交通大学刘明教授为论文通讯作者。西安交通大学周子尧教授，博士生程宇心、邱瑞玢、郭筠婷等为论文共同作者。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D2MH01020H
刘明教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/mingliu