Déformation anisotrope dans PMN-PT orienté (011). (A) Les coordonnées cartésiennes x, y et z sont définies comme étant respectivement les directions cristallines [100], [011¯] et [011]. Directions de polarisation dans la cellule unitaire PMN-PT orientée (011), regroupées en rhomboèdre dans le plan (RIP ; orange), rhomboèdre vers le haut (RUP ; bleu) et orthorhombique vers le haut (OUP ; violet). Le bas rhomboédrique (RDOWN) et le bas orthorhombique (ODOWN) ne sont pas représentés mais sont, respectivement, RUP et OUP en miroir autour du plan xy. La coupe dans le plan à travers la cellule unitaire (zone grise ombrée) est rectangulaire avec des côtés de longueur a2–√par a, où a est le paramètre de réseau. (B) Déformations électrostrictives (pas à l'échelle) de la cellule unitaire pour les groupes de polarisation cubique (polarisation zéro FE), RIP, RUP et OUP. Les déformations vers le bas sont identiques à vers le haut. Les projections dans le plan des vecteurs de polarisation sont présentées pour RIP (orange clair) et RUP (bleu clair). (C) Tracés des souches d'électrostriction linéaires εxx et εyy et de la souche anisotrope εxx - εyy pour les groupes de polarisation RIP, RUP et OUP. Crédit :Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Le couplage magnétique médié par la contrainte dans les hétérostructures ferroélectriques et ferromagnétiques peut offrir une opportunité unique pour la recherche scientifique dans les dispositifs multifonctionnels de faible puissance. Les ferroélectriques sont des matériaux capables de maintenir une polarisation électrique spontanée et réversible. Les relaxeurs-ferroélectriques qui présentent une électrostriction élevée sont des candidats idéaux pour les constructions de couches ferroélectriques en raison de leur grande piézoélectricité. Bien que les propriétés des ferroélectriques relaxeurs soient connues, leurs origines mécanistes restent un mystère, donnant naissance à une forme énigmatique de matériaux. En plus de cela, les films minces sont inefficaces pour le serrage du substrat et peuvent réduire considérablement les contraintes piézoélectriques dans le plan. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Shane Lindemann et une équipe de recherche en science des matériaux et en physique aux États-Unis et en Corée, ont montré un couplage magnétoélectrique à basse tension dans une hétérostructure à couche mince utilisant des contraintes anisotropes induites par l'orientation du matériau. L'équipe a utilisé une couche ferroélectrique idéale de Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 –PbTiO3 abrégé PMN-PT au cours de ce travail et couplé avec des surcouches de nickel ferromagnétiques pour créer des hétérostructures membranaires avec aimantation. À l'aide de la microscopie électronique à transmission à balayage et de simulations de champ de phase, ils ont clarifié la réponse membranaire pour comprendre le comportement microstructural des couches minces PMN-PT, pour ensuite les utiliser dans des hétérostructures magnétoélectriques piézo-électriques.
Couplage magnétoélectrique (ME)
Le contrôle du champ électrique du magnétisme, également connu sous le nom de couplage magnétoélectrique inverse, offre un potentiel pour les technologies de stockage et de détection de mémoire de nouvelle génération. Le matériau PMN-PT présente un intérêt en tant que matériau relaxeur-ferroélectrique pour des applications en tant que couche ferroélectrique à large composition piézoélectrique. En couplant le relaxeur-ferroélectrique avec un ferromagnétique contenant une grande magnétostriction, un couplage ME inverse peut être obtenu en transférant la contrainte induite par la tension de la couche ferroélectrique à la couche ferromagnétique pour entraîner le contrôle médié par la contrainte de l'anisotropie dans le plan, la magnétorésistance à effet tunnel , résonance ferromagnétique et conductivité. La tendance récente vers des dispositifs ME de faible puissance et le développement de systèmes micro- et nanoélectromécaniques a conduit à une étude plus approfondie des couches minces relaxeurs-ferroélectriques. La réduction des dimensions des couches minces de relaxeurs-ferroélectriques peut induire une forte réduction de la piézoélectricité due au serrage mécanique, et les scientifiques visent donc à surmonter ce défi avec succès pour intégrer des films minces relaxeurs-ferroélectriques dans des dispositifs hautes performances. Dans ce travail, Lindemann et al. a surmonté le problème de serrage et a démontré un couplage ME médié par la contrainte à basse tension dans des hétérostructures entièrement en couches minces. Les travaux ont mis en évidence la nature microscopique des couches minces relaxeurs-ferroélectriques pour présenter une étape cruciale vers leurs applications dans les dispositifs magnétoélectriques piézo-électriques de faible puissance.
Fabrication d'hétérostructures membranaires PMN-PT orientées monocristallines (011). (A) Hétérostructure à couche mince initiale composée de couches SAO/STO développées par PLD et de couches SRO/PMN-PT/Pt déposées par pulvérisation cathodique. (B) Après avoir fixé le côté hétérostructure Pt en PDMS/verre, la couche sacrificielle SAO est gravée par H2O. (C) Après élimination de la couche tampon STO, Ni est déposé par pulvérisation suivie d'une structuration des couches Ni/SRO en cercles de 160 μm. L'hétérostructure de la membrane est complétée par l'ajout de la couche de protection SU-8 et de la couche d'électrode surélevée en Au. (D) Image SEM montrant le dispositif à membrane terminé. Crédit :Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Lindemann et al. mesuré les changements induits par la contrainte de l'anisotropie magnétique dans la couche de nickel à l'aide de boucles d'hystérésis à effet magnéto-optique Kerr longitudinal (MOKE), en fonction des champs électriques de polarisation PMN-PT. Ils ont ensuite montré l'importance de supprimer le serrage mécanique par le substrat pour obtenir de grandes déformations anisotropes dans le plan. Pour comprendre ensuite le comportement de déformation déduit de l'hystérésis magnéto-optique de l'effet Kerr, Lindeman et al. tracé la densité d'énergie d'anisotropie magnétique calculée, déterminée à partir du champ de saturation des boucles d'axe dur, et la déformation différentielle connue basée sur la magnétostriction connue du nickel. Ils ont ensuite déterminé la structure de domaine des membranes PMN-PT telles que développées à l'aide de la microscopie électronique à transmission à balayage. Le matériau monocristallin a montré une structure colonnaire avec une discordance de réseau pendant la croissance du film. Les résultats ressemblaient à une structure de domaine mixte ferroélectrique et relaxeur compatible avec le modèle expérimental.
Simulations de champ de phase des membranes PMN-PT
Pour comprendre ensuite le comportement de déformation de la membrane PMN-PT, les scientifiques ont ensuite effectué des simulations de champ de phase. Pour mesurer la déformation moyenne, ils ont calculé la contribution de déformation des éléments individuels de polarisation spontanée, multipliée par le tenseur d'électrostriction. Le point de départ de la simulation a indiqué la structure attendue autour de l'empreinte ferroélectrique de la membrane PMN-PT expérimentale. Les résultats de la simulation concordent qualitativement avec la déformation expérimentale et les polarisations mesurées dans la membrane PMN-PT/nickel. Alors que les déformations calculées à partir des boucles expérimentales MOKE (effet Kerr magnéto-optique) présentaient un décalage horizontal et vertical par rapport aux déformations calculées à partir de la simulation, qualitativement, les deux courbes étaient similaires.
Propriétés magnétoélectriques (ME), ferroélectriques (FE) et piézoélectriques des hétérostructures membranaires PMN-PT. (A) Boucles d'hystérésis magnétique MOKE (normalisées) à une série de champs électriques de -140 kV/cm (-7 V) à 90 kV/cm (4,5 V). Les couleurs sombres sont plus proches de l'empreinte FE et les couleurs plus claires sont plus éloignées de l'empreinte. (B) Champ magnétique de saturation (Hsat; axe de gauche) et déformation anisotrope calculée (εxx - εyy; axe de droite) par rapport au champ électrique de polarisation extrait des boucles d'hystérésis HA MOKE similaires à celles présentées au champ électrique à forte polarisation en (A). Les barres d'erreur représentent l'écart-type des mesures de sept appareils différents sur la même membrane. Des points de déformation différentielle négatifs (εxx - εyy <0) ont été extraits des boucles HA MOKE avec un champ magnétique le long de [011¯] et des points positifs (εxx - εyy> 0) des boucles où le champ magnétique était le long de [100]. (C) Polarisation (P) vs mesures de boucle d'hystérésis de champ électrique à l'aide de l'électrode supérieure Ni/SRO de 160 μm de diamètre. La boucle orange a été mesurée avec une impulsion de tension sinusoïdale de 30 kHz. La courbe bleue, étiquetée 0,1 Hz, a été acquise à l'aide d'une procédure de mesure quasi-DC (voir Méthodes). (D) Permittivité relative par rapport au champ électrique de polarisation. Le champ électrique de polarisation a été balayé à 0, 5 Hz et la permittivité a été mesurée avec un petit champ électrique alternatif de 3, 5 kV / cm RMS à 4 kHz. Pour (B) à (D), des lignes directrices sont ajoutées pour séparer le comportement en une région à champ faible (près de l'empreinte FE) et des régions à champ élevé. Crédit :Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Analyse STEM des domaines présents dans la membrane PMN-PT. (A et B) Images STEM à champ noir annulaire à angle élevé (HAADF) à résolution atomique le long des axes de zone [011¯]pcand [100]pc, respectivement. Les encarts sont des images agrandies dans chaque axe de zone. Les cercles roses sont des cations du site A (Pb) et les cercles jaunes sont des cations du site B (Mg/Nb/Ti). Les flèches oranges représentent le déplacement du site B (δB). (C et D) Cartographie du déplacement des cations du site B avec des flèches superposées indiquant les régions d'ordre à courte portée. Les cartes en couleur montrent l'amplitude du déplacement atomique et les flèches affichent la direction du déplacement atomique. (E et F) Cartographie de la fraction de phase dans chaque cellule unitaire avec roue chromatique par les directions de déplacement du site B attendues pour RIP (R1), ROP (R2) et les régions qui ont des déplacements entre les états R étiquetés comme orthorhombique O1 et O2. Les régions vierges de couleur (Non) indiquent la région non polaire sous les 7 pm de déplacement du site B. Crédit :Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Simulations de champ de phase de la membrane (011) PMN-PT. Polarisation spontanée et [011] projection stéréographique de la membrane PMN-PT à (A et B) 0 kV/cm, (C et D) 10 kV/cm, (E et F) 20 kV/cm, et (G et H ) 100 kV/cm. La légende de la coloration de la polarisation spontanée est incluse dans (A). (I) Polarisation moyenne dans les directions x, y et z par rapport au champ appliqué. (J) Dépendance au champ de la déformation anisotrope moyenne dans le planε¯xx−ε¯yy. Dans (I) et (J), des lignes directrices ont été ajoutées pour séparer les régions de champ faible et de champ élevé. Crédit :Science Advances, 10.1126/sciadv.abh2294
Perspectives
De cette façon, Shane Lindemann et ses collègues ont montré l'effet magnétoélectrique (ME) à basse tension, médié par la contrainte, dans une hétérostructure entièrement en couche mince. Le film ne reposait que sur les grandes contraintes anisotropes inhérentes aux films minces PMN-PT. La membrane PMN-PT/nickel utilisée dans ce travail a permis d'obtenir une rotation robuste, piézo-électrique, de 90 degrés de l'anisotropie magnétique dans le plan de la surcouche de nickel sous une faible tension de polarisation pour entraîner une anisotropie de déformation, contrôlée par l'in- symétrie cristalline plane du film PMN-PT. En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage, les scientifiques ont montré la structure microscopique de la membrane PMN-PT. Ensuite, en utilisant le PMN-PT en vrac, ils ont montré comment le matériau présentait une commutation permanente entre les états de polarisation dans le plan et hors du plan ; ce comportement a fourni un trait souhaitable pour le stockage de la mémoire. Le travail fournit des informations clés sur le comportement microstructural des membranes à couches minces PMN-PT pour montrer leurs applications dans les dispositifs de couplage magnétoélectriques, et également prédire leur utilisation avec une variété d'autres matériaux pour découvrir des phénomènes piézoélectriques jusqu'alors inconnus.
© 2021 Réseau Science X La compréhension des propriétés ferroélectriques des relaxeurs pourrait conduire à de nombreuses avancées
