车玉路， 张 博， 陈棣湘， 潘孟春， 胡佳飞， 潘 龙

(1.国防科技大学 智能机械与仪器系，湖南 长沙 410000； 2.93381部队,黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引 言

近年来，电场调控磁性由于其具备易于控制、节约能耗等优点引起国内外学者的广泛关注[1～4]，铁磁/铁电多铁异质结构由于具有电场调控磁性的能力[5,6]，其在存储器[7～9]、微波器件[10～12]、传感器[13,14]等领域得到了广泛的应用。多铁异质结通常是由压电层和磁性层复合制成的薄膜，随着制备多铁异质结的新材料和新结构不断发展，在磁电器件的研发和应用中对多铁异质结构的电场调控磁性测试需求也越来越大。

目前，对于多铁异质结的电场调控磁性测试通常采用振动样品磁强计和超导量子干涉仪[15,16]，振动样品磁强计[17,18]利用电磁感应原理，通过线圈测量样品振动过程中产生的交流磁场来实现样品磁性的测量；超导量子干涉仪的原理是约瑟夫森效应。这两种仪器在精度和技术成熟度两方面都具备优势，但它们是磁性测量仪器，不具备施加电场的功能。在进行电场调控磁性测试时，需要对这两种仪器进行改装，而这会大大提升仪器的成本，并且振动样品磁强计和超导量子干涉仪测试需要较长的响应时间。因此，设计一种快速、简单的对于多铁异质结的电场调控磁性测试方法具有重要的意义。

本文提出了一种基于隧道结磁阻传感器的薄膜电调磁性测试方法，通过高灵敏度的隧道结磁阻传感器测量不同电场下的多铁异质结产生的磁场，可以有效地测试多铁异质结的电场调控磁性，同时依据该测试方法搭建了一个测试系统。本文中还在Pb(Mg1/3Nb2/3)0.68-Ti0.32O3(PMN-PT)压电基底上制备了FeGaB磁性薄膜构成了多铁异质结构，并通过对样品开展不同电场下和不同偏置磁场下的电调控磁性测试，验证了测试方法的可靠性并试验了测试系统的基本功能。

1 测试方法原理

当给多铁异质结施加电场时，其压电层中会产生应变，由于压电层与磁性层的应力耦合作用，多铁异质结的磁性层也会产生应变，此时磁性层磁矩会发生旋转，表现为多铁异质结的磁化发生改变，进而使其周围磁场发生变化。利用隧道结磁阻传感器可以测量磁场强度的大小，从而间接表征多铁异质结的磁化。然而，多铁异质结的磁化强度与隧道结磁阻传感器的输出之间的关系还需要确定，下面通过理论分析二者的关系。

空间内磁偶极子的磁矩与其产生磁场强度的关系可以用式(1)表示

(1)

B=kM

(2)

式中M为多铁异质结的磁化强度，k为一个比例系数，此时空间内磁场强度B可以被隧道结磁阻传感器转换为电压输出。在隧道结磁阻传感器的线性灵敏区间内，其输出电压与磁场强度以及多铁异质结的磁化强度可以表示为

V=SB=SkM

(3)

式中V为磁隧道结磁阻传感器的输出电压，S为隧道结磁阻传感器的灵敏度。通常在隧道结磁阻传感器的线性灵敏区间，其灵敏度是个常数。因此隧道结磁阻传感器的输出与多铁异质结的磁化强度呈线性关系，可以通过隧道结磁阻传感器测量多铁异质结附近一点处的磁场来实现对多铁异质结电场调控磁性的相对测量。

2 测试系统组成

2.1 系统硬件组成

根据测试方法原理设计的电调磁性测试系统设计如图1所示。

图1 磁性薄膜电调测试系统示意

基于隧道结磁阻传感器的电调磁性测试系统包括磁场源、隧道结磁阻传感器、供电电源以及数据采集系统和计算机。其中磁场源通常可采用亥姆霍兹线圈，作用是为多铁异质结提供直流偏置磁场，采用可程序控制的电流源为亥姆霍兹线圈供电。电流源通常可采用Keithley公司的2 400电流/电压源，利用RS—232或GPIB串口实现计算机与电流源之间的通信来完成对磁场源输出磁场的程序控制。本测试系统采用的亥姆霍兹线圈励磁系数为1 770 nT/mA，供电电流源的最大输出电流为1 050 mA。

隧道结磁阻传感器是测量磁场的工具，其位置为多铁异质结的下方，传感器与多铁异质结之间可以采用双面胶固定，以防止因二者之间的相对位置变化影响磁场测量结果。隧道结磁阻传感器为中科院物理所设计制造的，其灵敏度约为6.7 mV/(A/m)/V，线性灵敏区间约为-40～40 A/m。传感器有两对端口，分别为供电端和信号输出端，供电端采用直流电压源供电，通常采用KEYSIGHT公司的E3649A直流电压源，其输出稳定工频噪声较小。

传感器的输出为电压信号，需要利用数据采集系统对输出的电压信号进行准确采集。目前可以采用两种方法，一是利用数字万用表Keithley 2182A测量，通过GPIB串口与计算机通信，将数据传输到计算机中;二是利用PXIe采集卡直接读取电压信号并传输到采集卡的内存中。

将磁性材料利用磁控溅射的方式制备在压电基底上就构成了多铁异质结构，给多铁异质结施加电场的方式如图2所示，多铁异质结上下表面通常制备有电极，利用导电银胶连接导线与多铁异质结的上或下表面，采用Keithley公司的2 400电流/电压源施加电压，进而在压电基底内形成电场，可采用程序控制改变施加电场大小。

图2 多铁异质结电场施加方式

测试系统软件与硬件之间的通信可采用GPIB总线传输，其优点是可以利用一条总线互相连接若干台装置，可以实现多台仪器相连接的自动测试系统。

2.2 系统软件设计

测试系统软件包括给亥姆霍兹线圈的电流源程序控制、给多铁异质结施加电场的电压源程序控制以及隧道结磁阻传感器输出电压的读取与存储。软件设计基于NI公司的LabVIEW软件环境，对于电流源、电压源以及数据采集的程序设计流程图如图3所示。

图3 系统软件设计流程框图

测试多铁异质结的电场调控磁性，通常需要在不同偏置磁场下，测量磁性与施加电场的响应曲线。测试系统的亥姆霍兹线圈和给多铁异质结施加电场分别采用两台Keithley 2400供电，给亥姆霍兹线圈供电采用电流源档，给多铁异质结施加电场采用电压源档。所以程序首先要初始化源表，在获取Keithley 2400设备地址后，调整其输出电源类型，同时设定Keithley 2182A的读取数据类型为读电压。

利用LabVIEW图形化编程可以实现用户对测试系统的仪器参数和测试模式设定，其中Keithley 2400电流/电压源的输出步进数，电压起止范围可根据电调磁性测试需要设置。采集的传感器输出和电场的响应曲线会实时显示，并且可以将数据存储在文件中，软件前面板效果图如图4所示。

图4 软件前面板效果

3 实验结果与分析

为验证该测试系统的可靠性，对多铁异质结样品进行电调磁性测试，并分别利用超导量子干涉仪和本测试系统进行测试和对比分析。被测多铁异质结样品为FeGaB/PMN-PT，将FeGaB磁性层通过磁控溅射的方式制备在PMN-PT压电基底上，FeGaB层厚度为500 nm，PMN-PT压电层厚度为500 μm。超导量子干涉仪经过改装后可以施加电场，采用相同的测试条件对相同样品进行测试，结果如图5所示。

图5 测试结果

通过两种测试系统的对比可以得到，两种方法测得该样品的电场调控磁性结果曲线形状相同，都是“蝴蝶”形磁性调控行为，且二者测得的曲线拐点相同，分别是+2,+4,-2,-4 kV/cm。从这个对比测试的结果可以说明本测试系统可以表征多铁异质结的电场调控磁性，但测量结果为隧道结磁阻传感器的输出，并非多铁异质结的磁矩或者磁化强度。因此，本测试系统可以实现磁矩或磁化的相对测量，在对磁电子器件中的薄膜磁性电调研究中，对于磁化强度或磁矩变化的相对测量往往能满足大多数测试的需要。

本文测试系统可以测试不同电场下的电调控磁性曲线，通过该系统测试的结果示例如图6所示，另外也可以得到不同偏置磁场下的磁性调控量对应的传感器输出结果示例如图7所示。

图6 不同电场下多铁异质结电调磁性测试结果

图7 不同电场下多铁异质结电调磁性测试结果

被测样品为FeGaB/PMN-PT样品，其中磁性层厚度为400 nm，而压电层厚度为200 nm。从图6中可以得到多铁异质结的电调磁特性曲线，并得到在114 A/m偏置磁场下的调控量对应的传感器输出大约为24 mV，而在-114 A/m偏置磁场下的调控量对应的传感器输出大约为26 mV。从图7可以得出在大约-80 A/m和80 A/m的偏置磁场下有最大的磁性调控量。

从以上结果示例中可以得出，本文测试系统具备测试不同电场下和不同偏置磁场下多铁异质结电调磁性的功能，在研究与磁性薄膜相关的磁电子器件中，例如磁传感器、磁存储器以及微波器件中可以对薄膜磁电耦合特性进行测试表征。

4 结 论

本文根据电调磁性测试方法研究现状，提出了基于隧道结磁阻传感器的电调磁性测试方法并搭建了测试系统。利用超导量子干涉仪验证本测试方法的可行性，通过对FeGaB/PMN-PT多铁异质结样品的测试，超导量子干涉仪和本测试方法测试得到了相同的测试结果，证明本测试方法可以实现对磁矩或磁化强度的相对测量。同时，本测试方法具备测试不同电场下和不同偏置磁场下的薄膜电调磁性的功能，在研究磁电耦合效应以及磁电子器件的研究中可大大简化测试流程，节约测试成本并实现快速测试。