北航Adv. Mater.综述: 电场控制的反铁磁自旋电子器件

1、引言

图一

（a）在GaP衬底上生长的CuMnAs反铁磁薄膜的扫描透射电子显微镜图像；

（b）器件的显微照片和测量配置示意图；

（c）通过施加电流脉冲来控制横向电阻；

（d）器件的磁场与横向电阻存在的关系。

图二

（a）反铁磁性CuMnAs的磁性结构和电流感应开关机制的示意图；

（b）器件的电子显微镜照片；

（c）通过入射太赫兹电场进行写操作的示意图；

（d）皮秒写入脉冲的波形。

图三

（a）反铁磁Mn3GaN/Pt双层的光学显微镜图像和实验几何示意图；

（b）霍尔电阻与电流密度的关系。

图四

（a）由Pt和NiO双层结构中的自旋电流驱动的THz反铁磁振荡器的示意图；

（b, c）由电流感应的自旋传递转矩驱动的倾斜反铁磁矩旋转的示意图；

（d）振荡器中反铁磁矩旋转的时间特性。

图五

（a）装置的扫描电子显微镜图像；

（b）器件原理图和测量方案；

（c, d）在NiFe和Cu之间检测到的电阻对扫描磁场的依赖性。如插图所示，（c）和（d）中Mn₃Sn的反铁磁三角矩的方向相反。

2、反铁磁自旋电子器件的电场控制

图六

（a）低于360 K的Mn₃Pt的晶体和非共线三角形磁性结构；

（b）不同温度下的异常霍尔效应；

（c）在0和4 kV cm^-1的电场下ρ–T曲线；

（d）在0和4 kV cm^-1的电场下的霍尔效应。

图七

（a）Mn₃NiN的晶体和磁性结构；

（b, c）Néel温度和剩余磁化强度的双轴应变关系；

（d）在BaTiO₃上生长的Mn₃NiN薄膜的温度依赖性磁化强度；

（e）SrTiO₃上Mn₃NiN膜在100和290 K时的霍尔电阻与磁场的关系；

（f）磁相图作为双轴应变和温度的函数图。

图八

（a）50 nm厚的Mn₃Sn/PMN-PT异质结构在150 °C的相对低温下的低温霍尔效应；

（b）同一样品在200和300 K时的霍尔效应；

（c）在50至300 K的不同温度下的磁阻，施加的磁场平行于测量电流；

（d）在3 T以下的各种温度下的各向异性磁阻；

（e）Mn₃Sn（50 nm）/LaAlO₃（100 nm）/PMN-PT多铁异质结构和场效应测量几何图；

（f）在栅极电场EG = 0和-3.6 kV cm^-1下，Mn₃Sn/LaAlO₃/PMN-P异质结构的霍尔效应。

图九

（a）在PMN–PT上生长的MnPt膜的X射线衍射图；

（b）MnPt膜的电阻与电场的关系；

（c）在室温下，在0、9和14 T的磁场下，由+1.87和-6.67 kV cm^-1的电场触发的高阻状态和低阻状态；

（d）低阻状态下的自旋轴分布示意图；

（e）MnPt和Mn₃Pt膜在高达60 T的磁场下的磁阻。

图十

（a）Mn L-edge的初始状态和经+4和- 2 kV cm^-1电场激发后的XMLD信号；

（b）Mn₂Au器件的横向电阻随电流脉冲数的变化。

图十一

（a）堆叠中正栅极电压下的电荷分布示意图以及MnIr交换弹簧的自旋结构；

（b）具有不同施加场的MnIr（3 nm）/[Co/Pt]多层膜的异常霍尔效应曲线；

（c）从异常霍尔效应曲线在10 K处提取的HE和HC；

（d）垂直磁场由施加的电压感应产生的磁阻高达10 T。

图十二

（a）不同电场的原位X射线衍射；

（b）电致变色的现象；

（c）SrCoO_2.5中氢、氧离子迁移引起的三态可逆相变示意图；

（d）与温度有关的电阻，插图显示出三态电阻开关的模式。

图十三

（a）3 uc LaMnO₃薄膜在2 K下的霍尔载流子（电子或空穴）密度；

（b, c）分别在电子掺杂区和空穴掺杂区中随温度变化的磁阻；

（d）两种模式下交换耦合参数J和畸变参数b_l/b_s，其中b_l表示Mn³⁺离子与氧的键长，b_s表示Mn³⁺离子与氧的键短。

图十四

（a, c）离子液体浇铸过程控制的平面内（FeCoB/Ru/FeCoB）和平面外（(Pt/Co)₂/Ru/(Co/Pt)₂）制备反铁磁的示意图；

（b, d）当Ru的厚度为0.92 nm时，电压对Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida相互作用的调制；

（e）非平面合成反铁磁体的t_Ru = 0.9 nm的原位磁性测量；

（f）在2.5 V施加电场下的域切换图像。

图十五

（a, b）a）累积状态和b）在0、1.5、3和6 T的磁场下LSMO中空穴的耗尽状态，电阻率与温度的函数关系图；

（c）两种极化状态下的磁电阻与温度的关系。

图十六

（a）4k时的磁场门电压磁相位示意图；

（b）栅电压(底部轴)和掺杂浓度n层间交换常数（顶部轴）的依赖关系J⊥（黑色、右轴）和自旋反转过渡领域（蓝色、左轴）；

（c）当载频密度从0（黑色）到4.4×10^-12 cm^–2（红色）时，当载频密度为1.1×10^-12 cm^–2时，双层CrI₃膜的反射磁圆二向色信号随外加磁场的变化。

图十七

（a）Ta/Ru/GdO_x/Co/Pt霍尔棒结构的示意图以及传输测量的几何形状；

（b）在200 ℃下放置10分钟（红线），施加- 625 kv cm⁻¹电场6分钟（蓝线），施加+ 625 kv cm⁻¹电场13分钟（紫线），得到样品的RH-HZ曲线；

（c）正栅电压下的CoO还原和负栅电压下Co氧化的示意图。

3、展望

图十八

（a）27 nm厚RuO₂/MgO（001）和RuO₂/PMN–PT（110）异质结构的X射线衍射谱；

（b）RuO₂/MgO异质结构的截面透射电子显微镜图像；

（c）对于RuO₂/MgO样品，在50和300 K时，磁矩与磁场的关系最高达3 T；

（d）RuO₂膜与柔软的铁磁Co₉₀Fe₁₀层在50 K时的交换偏压；

（e）生长MgO的RuO₂薄膜的电导率随生长温度和氧气压力的3D图；

（f）在不同沉积和测量温度下，在10^-3 Torr的氧气压力下制造的27 nm厚RuO₂薄膜的薄层电阻的等高线图。

图十九

电场控制的反铁磁自旋晶体管的示意图。

图二十

（a）反铁磁人工神经元器件的脉冲发生器示意图；

（b, c）b）单个脉冲和c）离散脉冲组的生成；

（d, e）神经网络中d）前神经元和e）后神经元的峰值。

图二十一

（a）反铁磁人工神经元器件示意图；

（b, c）b) OR逻辑门、c)基于反铁磁人工神经元器件的与逻辑门中的信号处理；

（d, e）基于反铁磁人工神经元器件的全加法器的输入d)和输出信号e)。

4、总结与展望