Robust Electric‐Field Control of Colossal Exchange Bias in CrI3 Homotrilayer

自旋电子学 材料科学 铁电性 凝聚态物理 铁磁性 电场 交换偏差 多铁性 反铁磁性 异质结 磁化 纳米技术 光电子学 磁场 磁各向异性 电介质 物理 量子力学
作者
Yuting Niu,Zhen Liu,Ke Wang,Wantin Ai,Tao Gong,Tao Liu,Lei Bi,Gang Zhang,Longjiang Deng,Bo Peng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (46): e2403066-e2403066 被引量:8
标识
DOI:10.1002/adma.202403066
摘要

Abstract Controlling exchange bias (EB) by electric fields is crucial for next‐generation magnetic random access memories and spintronics with ultralow energy consumption and ultrahigh speed. Multiferroic heterostructures have been traditionally used to electrically control EB and interfacial ferromagnetism through weak/indirect coupling between ferromagnetic and ferroelectric films. However, three major bottlenecks (lattice mismatch, interface defects, and weak/indirect coupling in multiferroic heterostructures) remain, resulting in only a few tens of milli‐tesla EB field. Here, this study reports a robust electric‐field control recipe to dynamically tailor the EB effect in a pure CrI 3 homotrilayer on a ferroelectric Y‐doped HfO 2 (HYO) substrate, and demonstrate a colossal and tunable EB field ( H E ) from −0.15 to +0.33 T, giving rise to an EB modulation of 0.48 T. The charge doping due to ferroelectric HYO film divides a homo‐configuration of CrI 3 homotrilayer into one antiferromagnetic (AFM) bilayer CrI 3 and one ferromagnetic (FM) monolayer CrI 3 , favoring direct exchange coupling. The synergies of charge doping and electric field induce a transition of magnetic orders from AFM to FM phase in bilayer CrI 3 , which is also supported by first‐principles calculations, leading to the robust electric control of colossal EB effect. The results therefore open numerous opportunities for exploring 2D spintronics, memories, and braininspired in‐memory computing.
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