智能磁电材料是实现具有低功耗、微型化、可调节与超快响应等特点的新型电子元器件的关键技术之一，特别是其在高频微波器件中的应用，可显著降低该类型器件装备在机载雷达、航天器、卫星及单兵通讯系统中的体积、重量和能耗，具有重要的国家安全战略意义。
其中钇铁石榴石（YIG）因其低损耗、窄线宽等特点被广泛应用于各种高频微波器件中。然而由于YIG自身的磁致伸缩系数几乎为零，所以基于传统应力调控磁性的磁电耦合方法很难实现电压可调的YIG器件。同时基于应力调控手段具有控制电压大和调控强度小的缺点，严重制约了其实际应用。因此，实现小电压（<5 V）有效调控YIG的磁学性质，将具有重要的科学理论价值和应用前景。
近日，西安交通大学电信学院刘明教授课题组研究了基于YIG的电场可调微波器件YIG (13 nm)/Pt (3 nm)/(ionic liquid, IL)/Au。该工作构建了微波材料钇铁石榴石（YIG）和重金属铂（Pt）之间界面自选轨道耦合，采用基于电极化离子液体的低电压调控方式，成功实现了小电压（<4.5 V）对YIG/Pt铁磁共振场690 Oe的调制，较传统方法提高了一个数量级。第一性原理计算表明，电极化作用下离子液体与Pt之间的强电场对YIG和Pt之前的自旋轨道耦合效应产生显著调节作用，并在强电极化作用下在Pt原子中诱导出磁性。基于该实验结果，提出了基于电极化离子液体的可调微波器件模型，为磁电可调微波滤波器的制备与研发打下坚实基础。此外，由于YIG还具有良好的自旋波传输特性，基于YIG的新型电子元器件也得到了研究者们的广泛关注。因此低电压调控YIG的磁性也为开发新型电压可调的自旋电子元器件提供了有力的实验支持。
该成果以“Ionic Modulation of Interfacial Magnetism in Heavy Metal/Magnetic Insulator Bilayer for Voltage Tunable Spintronic Devices”为题，在材料科学领域国际知名期刊Advanced Materials（IF=21.95）上在线发表。该研究成果是由博士生关蒙萌和赵士舜在导师刘明教授和周子尧教授共同指导下完成的。材料学院闵泰团队青年教师王蕾博士作为共同第一作者开展了第一性原理计算工作。西安交通大学为该论文的第一作者和唯一通讯作者单位。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、面上项目及西安交大基本科研业务费的支持。
文章链接： https://doi.org/10.1002/adma.201802902
延伸阅读
运用电场调控磁特性是当前自旋电子学研究热点方向之一，有重要的科学理论和工程实践意义。基于电控磁技术的新型自旋电子器件具有体积小、重量轻、响应快和能耗低等优点，在军事领域和民用领域有着巨大潜力。刘明教授团队长期在电控磁研究领域开展工作，特别是近两年开展了不同机制的界面处应力和电荷电控磁研究：包括应力调控LSMO薄膜表面自旋波的变化、应力调控双磁振子散射的变化 、应力调控垂直磁各向异性 、应力调节人工反铁磁结构 。在电荷调控方面，开展离子液体调控界面磁性的研究，包括离子液体调控Co磁性金属薄膜 、Co/Pt多层磁性金属薄膜垂直磁各向异性结构 、人工反铁磁结构、Fe3O4铁氧体薄膜以及本文中的Pt/YIG金属氧化物薄膜异质结构。此外为满足下一代柔性自旋电子材料与器件的发展需要，开发了基离子胶体的可调柔性自旋结构，包括柔性人工反铁磁结构和柔性垂直磁各向异性结构。上述成果为实现新型电压可调自旋电子学器件和系统打下了坚实基础。
自2017年以来，团队以西安交通大学作为第一作者和通讯作者单位先后在高水平期刊上（影响因子大于10）发表文章12篇，包括：Nature Communications 1篇（被编辑选为亮点文章），Advanced Materials 5篇（其中1篇被选为卷首页，1篇被选为视频新闻，2篇被选为内封面），Advanced Functional Materials 1篇 （被选为内封面），ACS Nano 4篇，Material Horizon 1篇。上述成果表明刘明团队在自旋电子材料与器件研究领域已走在了世界前列，并获得了国际同行的广泛认同。
刘明教授团队主页： http://mliu.xjtu.edu.cn/
