离子液体调控人工反铁磁材料中的RKKY效应

图 1  人工反铁磁的微观结构和基本磁性表征

(a) FeCoB (1.5 nm)/Ru (0.95 nm)/FeCoB (1.5 nm)的横截面TEM图片，II 是I的局部放大图，可以清晰地看到层状结构；II 中的比例尺是20 nm, I 中是5 nm；

(b)和 (c) 是FeCoB (1.5 nm)/Ru ( t _Ru)/FeCoB (1.5 nm)人工反铁磁的磁滞回线Ru厚度依赖特性；单、双回线分别对应铁磁、反铁磁耦合；

(d) (Pt 9 Å/Co 7.5 Å) ₂/Ru (0.95 nm)/(Co 7.5 Å/Pt 9 Å) ₂的横截面TEM图片，II 是I的局部放大图，II中的比例尺是50 nm，I中是5 nm；

(e)和 (f) 是(Pt 9 Å/Co 7.5 Å) ₂/Ru ( t _Ru)/(Co 7.5 Å/Pt 9 Å) ₂人工反铁磁的磁滞回线Ru厚度依赖特性；

(g-l) 在极性MOKE模式下观察到的 (Pt 9 Å/Co 7.5 Å) ₂/Ru (0.95 nm)/(Co 7.5 Å /Pt 9 Å) ₂/Ta (3.5 nm)结构的垂直动态磁化反转，比例尺50 μm；

(g-i) 是磁场从+1000降到0 Oe所发生的第一次磁畴翻转过程；

(j-l) 是磁场从0降到-1000 Oe所发生的第二次磁畴翻转过程；

(g) 图左上角插图是磁畴翻转过程相对应的磁滞回线；所有测试均在室温下完成。

图 2  离子液体调控 FeCoB / Ru / FeCoB  人工反铁磁中的 RKKY 效应

(a) 面内体系的离子液体调控示意图；

(b-f) 电压对RKKY效应的调控作用；图中是对不同Ru厚度的样品进行原位磁滞回线测量； 外加磁场沿着磁易轴方向，即面内方向；除了Ru厚度在改变以外，其余层的厚度与图1一致。

图 3  电压调控 (Pt/Co) ₂/Ru/(Co/Pt) ₂  人工反铁磁中的 RKKY 效应

(a) 面外体系的离子液体调控示意图；

( b-i) 不同Ru厚度下电压对RKKY效应的调控作用；外加磁场沿着磁易轴方向，即面外方向；结果显示了在离子液体调控过程当中人工反铁磁具有丰富的磁学行为，可以实现单-双-三回线之间的转换，表明人工反铁磁可以实现铁磁-反铁磁耦合之间的转变；除了Ru厚度在改变以外，其余层的厚度与图1一致。

图 4  对离子液体调控 RKKY 效应的讨论和总结

(a) 离子液体调控过程中薄膜界面双电层（Electric double layers,EDL）中离子聚集示意图；

(b) 典型双-三磁滞回线的转换及相应磁矩的变化；所选取的人工反铁磁结构是FeCoB (1.5 nm)/Ru (0.92 nm)/FeCoB (1.5 nm) ；

(c)面内及 (d)面外RKKY 调控效应相图，总结了磁滞回线随Ru厚度及外加电场的变化。

图 5  电场调制 (Pt/Co) ₂/Ru/(Co/Pt) ₂ 中磁畴翻转

(a)  t _Ru = 0.92 nm 时样品的磁滞回线；

(b)和 (c)是该样品在电压为0v及4v时的磁畴图；

(d)  t _Ru = 0.9 nm 时样品的磁滞回线；

(e-i) 是电压变化所对应的磁畴变化图；磁畴翻转比例的确定：首先计算亮区 （ b ， c ）和暗区 （ e-i ）所占比值，然后用磁化饱和时的值进行归一化。

图 6  人工反铁磁的层间交换耦合能仿真

(a) 仿真模型示意图；在外加电压的作用下铁磁层（FM）的化学势 (费米能) 会发生变化，红线代表压降；

(b)和 (c) 分别代表CoFe(1.5 nm)/Ru(1.1 nm)/ CoFe (1.5 nm)和[Pt(0.88 nm)|Co(0.70 nm)] ₂/Ru(0.88 nm)/[Co(0.70 nm)|Pt(0.88 nm)] ₂人工反铁磁中层间交换耦合能随电压的变化；其中 x代表铁磁和Ru界面的无序度，我们讨论了5种情况；

(d)和 (e) 代表电压作用下CoFe ( x=0.5)及Co|Pt ( x=0.1)的布里渊区能量分布图；红色和蓝色分别代表铁磁和反铁磁耦合。