随着信息技术的飞速发展，人们对高存储密度、快速读写、低能耗的高性能存储器的需求日益提高。磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）具有可观的隧道磁电阻效应，具有非易失性、高耐用性、可扩展到先进的（20nm以下）技术节点、抗辐射能力强、兼容现有的半导体工艺线和集成电路组件等特点，有望成为下一代通用存储器（Universal Memory）的有力竞争者，在磁性传感器、磁头读取、磁随机存储器等方面具有重要的应用价值。目前的MTJ主要是基于电流进行信息写入，能耗比较大；如果用电场代替电流，可以显著地降低能耗，因此利用电场实现MTJ电阻态的调控非常重要。以往将MTJ的势垒绝缘层换成铁电材料或通过电压调控磁各向异性来实现电场调控MTJ的工作，存在工作温度低、磁场辅助或者易失性调控等问题。

多铁性材料的发展为电场调控MTJ电阻态提供了新的思路。在此之前，铁磁/铁电多铁异质结构中只有电场调控面内各向异性MTJ的工作，尚无电场调控非面内各向异性（垂直或易锥面（倾斜）各向异性自由层，垂直各向异性参考层）MTJ电阻态的相关报道，由于非面内各向异性引入了额外的各向异性及相应的等效磁场，增加了调控的难度，具有很大的挑战性。最近，清华大学赵永刚研究组通过长时间的大量探索和优化，实现了这一目标。他们将自由层为倾斜态的垂直MTJ与Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.7Ti_0.3O₃ (PMN-PT) (011)铁电衬底集成（图1A），通过对衬底施加电场产生非易失性应变，改变自由层的磁各向异性和磁矩的倾斜角度，实现了室温下非易失、可回复的电场调控MTJ电阻态，调控量达到17%（图1B, C），同时MTJ自由层磁矩的倾斜角度变化约31°（图1D）。通过原位加电场的同步辐射光源X射线微区衍射表征结区下方PMN-PT微米区域的晶格变化及分析不同电场下倒易空间斑点的变化，揭示了调控源于PMN-PT的菱方相到正交相的铁电相变导致的非易失性应变（图2A-E）。本工作首次实现了应变媒介的电场对垂直MTJ电阻态的调控，对基于电场调控的低能耗、高密度、非易失性自旋电子学器件的研究和应用具有重要的参考价值。

图1 非易失性电场调控MTJ电阻态。(A) 样品结构和电场调控示意图。(B) 不同电场下隧穿电阻随外加磁场的变化曲线。(C) 500 Oe和零磁场下电场对MTJ电阻态的非易失性调控，红、蓝圆点分别对应电场为+0和-0 kV/cm下的电阻态。(D) 500 Oe下电场调控自由层磁矩倾斜角度变化，选取-0 kV/cm电场下自由层磁矩倾斜角度变化为0°（蓝色圆点）。(E) ±0 kV/cm电场下自由层倾斜角度变化的示意图。

图2 PMN-PT (011)的非易失性应变。(A)-(D) +10，-10，+0，-0 kV/cm电场下MTJ下方PMN-PT微米区域(222)衍射峰的X射线微区衍射图；虚线圈中的大、小衍射斑点分别对应PMN-PT的正交相和剩余的菱方相。(E) X射线微区衍射表征PMN-PT [111]方向的应变曲线。(F) X射线衍射表征PMN-PT [011]方向的应变曲线。

该研究成果以“Electric-field control of perpendicular magnetic tunnel junctions with easy-cone magnetic anisotropic free layers”为题于2024年4月5日发表在《科学·进展》(Science Advances)上。清华大学物理系赵永刚教授和北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授为该论文通讯作者；清华大学物理系2016级博士生孙维登和2017级博士生张一可为该论文的共同第一作者。论文合作者包括中科院物理所蔡建旺研究员、中国科学技术大学陆亚林教授、南方科技大学黄浩亮副研究员、国防科技大学张森副教授。本工作是继本组在国际上发表的第一个电场对多铁磁性隧道结磁电阻易失调控（Adv. Mater. 26, 4320 (2014)）及室温零磁场下实现了电场对面内各向异性隧道磁电阻的非易失调控（Nat. Commun. 10, 243 (2019)）后的一个新进展。

该项工作得到了国家自然科学基金、科技部重点专项等项目的支持。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj8379

供稿｜赵永刚课题组

编辑｜骆洁

审核｜宋灿立