利用电场成功反转磁极性 - 为实现下一代低功耗磁存储器铺平道路 -

东京工业大学
九州大学
V体育

要点

〇 不使用磁场，仅使用电场成功反转磁体极性
〇使用氧化物薄膜的扫描探针显微镜观察
〇有望应用于下一代低功耗磁存储器

摘要

东京工业大学科学技术学院研究小组成员包括前沿材料研究所研究生清水圭介（现为该大学博士后研究员）、东正树教授、大场文康教授、该大学元素战略研究中心特聘副教授熊谷佑（时）、九州大学研究生院理工学研究科Hajime Hojo副教授、V体育研究生院Osamu Mibu教授等。技术工程研究生院正在研究磁铁的特性。铁磁:第1项)和储存电力的性质(铁电：第2项）我们在与第2项共存的陶瓷晶体中，在室温下利用电场成功地反转了磁体的极性（磁化反转）。电场引起的磁化反转作为实现下一代磁存储器的关键而备受关注，但从未在室温下得到证实。
　该研究小组以薄膜形式稳定了“铁酸钴酸铋”，它具有铁磁性和铁电性的共存。磁域（第 3 条）和铁电域Structure of (term 4)扫描探针显微镜（第 5 条）。结果表明，两个磁畴的结构相似，并且铁磁性和铁电性之间存在相关性。此外，通过使用扫描探针显微镜的尖端施加电场并反转电极化，他们成功地反转了磁化方向。这一结果有望实现可通过电场控制的低功耗磁存储器。
　参加该研究小组的有研究生 Ryo Kawabe、Haruki Shimizu、研究生 Ming Yamamoto（均为当时）、研究生 Maaya Katsumata 以及东京工业大学的助理教授 Kei Shigematsu。
研究成果将于2月7日（日本时间）发表在美国化学会期刊《Nano Letters》网络版上。

研究背景

　随着智能手机的普及以及大数据等带来的信息处理量的爆炸式增长，信息通信设备的功耗成为问题，对低功耗、高记录密度、非易失性的下一代存储器件的需求日益增加。从这个角度来看，引人注目的是它同时具有铁磁性和铁电性多铁性物质（第 6 条）。
　如果铁磁性和铁电性之间的相关性足够强并且磁化方向可以通过电场反转，则不需要电力来产生磁场。因此，期望实现具有低功耗、高记录密度和简单元件结构的下一代磁存储器，同时利用当前磁存储器的特性，例如非易失性和高稳定性。

研究成果

迄今为止，九州大学北条副教授、东京工业大学东教授等人已成功将在室温下表现出铁磁性和铁电性共存的铁酸钴酸铋以薄膜的形式稳定化（图1）。然而，由于磁化方向在薄膜平面内，使用普通扫描探针显微镜很难观察磁畴，也无法研究铁磁性和铁电性之间的相关性。
　这次，我们通过设计用于生长薄膜的基板类型和薄膜生长方向，首次成功观察了薄膜样品的磁畴。与同一视场中的铁电域的比较表明，铁磁性和铁电性之间存在相关性。此外，通过使用扫描探针显微镜的尖端施加电场并反转电极化，他们成功地反转了磁化方向（图2）。

图1：铁酸钴酸铋的磁性结构示意图。由于自旋倾斜，磁化不会相互抵消，自发磁化出现在垂直于电极化的方向上。

图 2：室温下极化反转之前（顶部）和之后（底部）钴酸铋铁酸盐薄膜的压电响应显微镜图像（左）和磁力响应显微镜图像（右）。它们分别对应于铁电畴结构和磁畴结构。颜色分别代表电极化的面内分量和磁化的面外分量。左上图中铁电畴的冷色对应于电极化的面外分量指向纸张背面的事实。在左下图像中，电极化方向已反转，因此铁电域的颜色已变为较暖的颜色。此外，通过比较右上侧和右下侧，可以看出，由于电极化的反转，磁化的面外分量也被反转。

未来发展

　这一结果通过实验证明了室温下电场引起的磁化反转，这被认为是实现新型磁存储器的关键。这一成果可以说为实现可通过电场控制的低功耗磁存储器铺平了道路。预计这将刺激基于高铁酸铋的多铁材料的发展。

附加说明

本研究的一部分得到了神奈川科学技术院战略研究种子培育项目“创新型环保功能材料的创造”（代表人：东正树，东京工业大学教授）、文部科学省科学研究/基础研究补助金A“阐明铋铅钙钛矿中的S-D轨道间电荷分布变化和向巨型材料的发展”的支持负热膨胀”（代表人：东正树）该项目得到文部科学省纳米技术平台（东京工业大学教授）、青年研究员A“极化旋转：巨型压电响应的设计与实现”（代表人：北条，九州大学前副教授）、旭硝子基金会青年科学家继续资助“磁结构的控制”的资助Bi基多铁性薄膜及其通过电场实现磁化反转”（代表人：前九州大学副教授Hojo）。

术语解释

（１）铁磁：电子具有称为自旋的内部自由度，可以与旋转进行比较，并且可以采取两种状态（例如，向上和向下）。相邻电子的自旋沿同一方向排列的状态称为铁磁态。
（２）铁电：铁电性是指即使在没有施加电场（电压除以施加电压的样品的厚度）时也具有电极化（由于材料中的阳离子和阴离子的重心未对准而导致的不平衡电荷）的性质，并且电极化的方向可以根据外部电场的方向可逆地反转。
（３）磁畴：也称为磁畴，是指每个磁性原子的电子自旋沿同一方向排列的区域。
（４）铁电畴：指电极化方向一致的区域。
（５）扫描探针显微镜：一种显微镜，通过使用带有锋利尖端的探针扫描材料表面和表面附近区域来获取有关材料表面的信息。通过改变探头类型和扫描方法，它可以用作研究铁电畴结构的压电响应显微镜或研究铁磁畴结构的磁力响应显微镜。
（６）多铁性物质：通常指具有多个强级的物质。狭义上，它是指具有两种强秩序的物质：铁磁性和铁电性。

已出版杂志：Nano Letters
标题：室温下电场直接观察钴取代铁酸铋薄膜中的磁化反转
作者：Keisuke Shimizu、Ryo Kawabe、Hajime Hojo、Haruki Shimizu、Hajime Yamamoto、Marin Katsumata、Kei Shigematsu、Ko Mibu、Yu Kumagai、Fumiyasu Oba 和 Masaki Azuma
DOI:101021/acsnanolett8b04765

联系信息

关于这项研究的总体情况

东京工业大学科学技术研究所前沿材料实验室
东正树教授
电子邮件：mazuma[at]msltitechacjp
电话: 045-924-5315、080-4402-5315
传真: 045-924-5318

九州大学理工学院研究生院
北条肇副教授
电子邮件：hojohajime100[at]mkyushu-uacjp
电话: 092-583-7526
传真: 092-583-8853

V体育工学研究生院
Mibu 教授攻击
电子邮件：k_mibu[at]nitechacjp
电话: 052-735-7904

面试申请地址

东京工业大学公共关系和社会合作总部公共关系和区域合作部门
电子邮件：media[at]jimtitechacjp
电话: 03-5734-2975　
传真: 03-5734-3661

九州大学公共关系办公室
电子邮件：koho[at]jimukyushu-uacjp
电话: 092-802-2130
传真: 092-802-2139

V体育企划公关部公关室
电子邮件：pr[at]admnitechacjp
电话: 052-735-5647
传真: 052-735-5009

*请将每个 [at] 替换为 @。