室温下铂/钇铁石榴石中非易失性电场对铁磁共振和自旋泵浦的控制

DOI：10.1002/aelm.201800663 期刊：Advanced Electronic Materials 出版年份：2019 更新时间：2026-01-09 18:48:59

摘要： 电场调控磁学特性对于实现高效、高密度和快速的信息存储与处理具有重要意义。铁磁体与铁电体异质结构中通过应变介导的逆磁电耦合效应，在室温下实现电控磁学展现出潜力，近期已引发诸多研究关注。然而此类磁电效应研究主要集中于磁性金属领域。本研究采用磁控溅射技术，将高质量钇铁石榴石（Y3Fe5O12(YIG)）薄膜直接沉积于(100)取向单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3(PMN-PT)衬底上。PMN-PT衬底中电场诱导的极化翻转与晶格应变，使YIG薄膜呈现两种非易失且可电逆转的显著磁化状态。由于YIG与PMN-PT衬底的直接接触，实现了高效的磁电耦合及YIG薄膜易轴近90°旋转。此外，在Pt/YIG/PMN-PT异质结构中观测到电场控制的类磁滞回线铁磁共振场偏移及自旋泵浦信号。通过将高质量YIG薄膜直接生长于PMN-PT衬底，该研究克服了技术障碍，从而实现了通过电场对磁学特性及纯自旋流输运的高效调控。这些发现为未来低功耗磁绝缘体基自旋电子器件研发具有重要指导意义。

关键词： 纯自旋流磁性绝缘体磁电耦合

作者： Rui Yu，Kang He，Qi Liu，Xucheng Gan，Bingfeng Miao，Liang Sun，Jun Du，Hongling Cai，Xiaoshan Wu，Mingzhong Wu，Haifeng Ding

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研究概述实验方案设备清单

研究目的

研究室温下铂/钇铁石榴石异质结构中铁磁共振和自旋泵浦的非易失性电场调控，以实现磁性和纯自旋流传输的高效能操控。

研究成果

在PMN - PT衬底上直接沉积高质量YIG薄膜可实现高效的磁电耦合，从而实现对磁各向异性（易轴近90°旋转）、铁磁共振场和自旋泵浦信号的非易失性电场调控。这为基于磁性绝缘体的低功耗自旋电子器件实现了两种不同的稳定状态，具有潜在应用价值。

研究不足

该研究采用多晶YIG薄膜，其阻尼可能高于单晶薄膜。YIG的较大厚度（50纳米）降低了来自PMN-PT的应变传递效率。自旋泵浦测量因镀膜与未镀膜YIG具有相近的阻尼因子，导致无法提取有效的有效混合电导率，从而受到限制。

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设备名称型号厂家功能

Electrometer Keithley 6517B Keithley
Measurement of leakage current in PMN-PT substrates under electric field
Ferroelectric Tester Precision Premier II Radiant Technologies, Inc.
Measurement of ferroelectric hysteresis loops and polarization current

Magnetron Sputtering System
Deposition of YIG, Ag, Pt, and Cu thin films
Atomic Force Microscope
Characterization of surface morphology and roughness of YIG films
X-ray Diffractometer
Structural analysis of PMN-PT substrates and YIG films
Vibrating Sample Magnetometer
Measurement of magnetic hysteresis loops and coercivity
Electron Paramagnetic Resonance Apparatus
Measurement of ferromagnetic resonance spectra
Lock-in Amplifier
Modulation and detection of spin pumping voltage signals
Coplanar Waveguide
Platform for spin pumping experiments with microwave excitation
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ZEISS LSM 990 Spectral Multiplex
310

型号：ZEISS LSM 990 Spectral Multiplex

厂家：Carl Zeiss Microscopy GmbH

智能分析： ZEISS LSM 990 Spectral Multiplex是一款定位于高端科研机构的光谱成像系统，具有卓越的光谱分辨率和自动化功能，适用于复杂的生物、医学及材料科学实验。其高效的荧光标签分离能力和多功能自动化设计为用户提供了强大的实验支持。然而，高昂的价格和一定的学习曲线可能对中小型实验室构成挑战。总体而言，这是一款性能优越、适应性强的高端实验设备。
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Evolution 300 UV-Vis Spectrophotometer
341

型号：Evolution 300

厂家：Thermo Fisher Scientific

智能分析： Evolution 300紫外可见分光光度计是一款性能卓越的实验室光谱仪，适用于生命科学、材料科学、制药和光谱分析等多种应用领域。其高精度光学设计和宽广的波长范围使其在精密实验中表现出色，同时快速启动和智能附件提升了使用便利性。然而，其设备重量和技术维护需求可能对使用环境有一定限制。总体而言，这是一款可靠且高效的光谱分析工具，适合高要求的实验室应用。
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Nicolet iS50 FTIR Spectrometer
790

型号：Nicolet iS50

厂家：Thermo Fisher Scientific

智能分析： Nicolet iS50 FTIR光谱仪是一款高性能的多功能材料分析工作站，适用于材料科学、制药、化学研究等领域。其多种模块化扩展和高光学性能使其在复杂应用中表现出色，但较高的重量和潜在的高成本可能对某些用户造成限制。总体而言，该产品具备强大的性能和灵活性，是高端光谱分析的理想选择。
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Nicolet iS10 FTIR Spectrometer
790

型号：Nicolet iS10

厂家：Thermo Fisher Scientific

智能分析： Nicolet iS10傅立叶变换红外光谱仪是一款高性能、多功能的红外光谱分析仪，适用于材料验证、质量控制、故障分析等多种应用场景。其高光谱分辨率、优异的信噪比以及广泛的样品兼容性使其成为实验室分析的不二之选。同时，自动化功能和卓越的数据安全性增加了用户的便利性和可靠性。然而，其高成本和一定的学习曲线可能对部分用户产生影响。综合来看，这是一款性能优越且可靠的光谱分析设备，非常适合对精度和效率要求较高的用户。
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Cary 50 Spectrophotometer
1440

型号：Cary 50

厂家：Agilent Technologies Inc

智能分析： Cary 50分光光度计是一款由安捷伦科技公司推出的高性能光谱分析仪器，专注于实验室光谱分析、化学研究、生物领域等多种应用。其高精度检测能力、紧凑设计以及低功耗特性使其成为实验室的理想选择。然而，产品重量较重以及某些接口适配问题可能对运输和安装造成一定挑战。总体来说，Cary 50是一款性能优异、兼容性较强的分光光度计，适合对精确光谱分析有高需求的用户使用。
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Lambda 25 UV/Visible Spectrophotometer
2459

型号：Lambda 25

厂家：PerkinElmer Inc

智能分析： Lambda 25紫外可见分光光度计是PerkinElmer公司推出的一款高性能光谱分析仪器，特别适合对精度和稳定性要求较高的实验室应用。其采用双光束光学设计和高品质光学元件，具备良好的波长准确度、光度重复性和光学稳定性，适用于化学、生物医学、环境监测等领域。尽管其重量较大且带宽固定，但这些缺点可被其卓越的性能所弥补。总体而言，Lambda 25 是一款功能强大且可靠的光谱仪器，非常适合需要高精度分析的用户。
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