The lithium-based magneto-ionic effect is an emerging and promising way to control magnetism. Here, a lithium-ion battery-structure is adopted to control the magnetic properties of the Co/CoO bilayer. Using operando magnetometry, we performed a reversible toggling of lithium ion induced magnetic phase transition between nano-Co (superparamagnetism) and CoO (antiferromagnetism), which enables an ON–OFF magnetism switching. On this basis, a robust modulation of exchange bias by electric field at low temperature is achieved. In addition, reversible tuning of coercivity and magnetization up to 71% and 118%, respectively, in a Co/CoO bilayer at room temperature are performed. This work provides a more efficient means to modulate antiferromagnetism and exchange bias, facilitating the development of antiferromagnetic spintronics.

1.
M. B.
Jungfleisch
,
W.
Zhang
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Lett. A
382
,
865
(
2018
).
2.
H.
Yan
,
Z.
Feng
,
P.
Qin
,
X.
Zhou
,
H.
Guo
,
X.
Wang
,
H.
Chen
,
X.
Zhang
,
H.
Wu
,
C.
Jiang
, and
Z.
Liu
,
Adv. Mater.
32
,
1905603
(
2020
).
3.
P.
Wadley
,
B.
Howells
,
J.
Železný
,
F.
Maccherozzi
,
S. S.
Dhesi
,
S. Y.
Martin
,
T.
Wagner
,
J.
Kuneš
,
J. S.
Chauhan
,
M. J.
Grzybowski
,
A. W.
Rushforth
,
C.
Andrews
,
V.
Hills
,
R. P.
Campion
,
V.
Novák
,
K.
Olejník
,
J.
Wunderlich
,
F.
Freimuth
,
K. W.
Edmonds
,
B. L.
Gallagher
,
F. Y.
Mokrousov
, and
T. J.
Jungwirth
,
Science
351
,
587
(
2016
).
4.
Y.
Wang
,
X.
Zhou
,
C.
Song
,
Y.
Yan
,
S.
Zhou
,
G.
Wang
,
C.
Chen
,
F.
Zeng
, and
F.
Pan
,
Adv. Mater.
27
,
3196
(
2015
).
5.
J.
Nogues
and
I. K.
Schuller
,
J. Magn. Magn. Mater.
192
,
203
(
1999
).
6.
D. A.
Gilbert
,
J.
Olamit
,
R. K.
Dumas
,
B. J.
Kirby
,
A. J.
Grutter
,
B. B.
Maranville
,
E.
Arenholz
,
J. A.
Borchers
, and
K.
Liu
,
Nat. Commun.
7
,
11050
(
2016
).
7.
S.
Sayed
,
C.
Hsu
,
N.
Roschewsky
,
S.
Yang
, and
S.
Salahuddin
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
034070
(
2020
).
8.
L.
Wei
,
Z.
Hu
,
G.
Du
,
Y.
Yuan
,
J.
Wang
,
H.
Tu
,
B.
You
,
S.
Zhou
,
J.
Qu
,
H.
Liu
,
R.
Zheng
,
Y.
Hu
, and
J.
Du
,
Adv. Mater.
30
,
1801885
(
2018
).
9.
B.
Huang
,
G.
Clark
,
D. R.
Klein
,
D.
MacNeill
,
E.
Navarro-Moratalla
,
K. L.
Seyler
,
N.
Wilson
,
M. A.
McGuire
,
D. H.
Cobden
,
D.
Xiao
,
W.
Yao
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
X.
Xu
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
544
(
2018
).
10.
C.
Song
,
B.
Cui
,
F.
Li
,
X.
Zhou
, and
F.
Pan
,
Prog. Mater. Sci.
87
,
33
(
2017
).
11.
X.
He
,
Y.
Wang
,
N.
Wu
,
A. N.
Caruso
,
E.
Vescovo
,
K. D.
Belashchenko
,
P. A.
Dowben
, and
C.
Binek
,
Nat. Mater.
9
,
579
(
2010
).
12.
V.
Laukhin
,
V.
Skumryev
,
X.
Marti
,
D.
Hrabovsky
,
F.
Sanchez
,
M. V.
Garcia-Cuenca
,
C.
Ferrater
,
M.
Varela
,
U.
Luders
,
J. F.
Bobo
, and
J.
Fontcuberta
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
227201
(
2006
).
13.
J. T.
Heron
,
M.
Trassin
,
K.
Ashraf
,
M.
Gajek
,
Q.
He
,
S. Y.
Yang
,
D. E.
Nikonov
,
Y. H.
Chu
,
S.
Salahuddin
, and
R.
Ramesh
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
217202
(
2011
).
14.
S. M.
Wu
,
S. A.
Cybart
,
D.
Yi
,
J. M.
Parker
,
R.
Ramesh
, and
R. C.
Dynes
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
067202
(
2013
).
15.
X. J.
Zhou
,
Y. N.
Yan
,
M.
Jiang
,
B.
Cui
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
J. Phys. Chem. C
120
,
1633
(
2016
).
16.
H.
Ji
,
G.
Zhou
,
X.
Wang
,
J.
Zhang
,
P.
Kang
, and
X.
Xu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
15774
(
2021
).
17.
Q.
Li
,
S. S.
Yan
,
J.
Xu
,
S. D.
Li
,
G. X.
Zhao
,
Y. Z.
Long
,
T. T.
Shen
,
K.
Zhang
, and
J.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
252406
(
2016
).
18.
F.
Zhang
,
Z.
Li
,
Q.
Xia
,
Q.
Zhang
,
C.
Ge
,
Y.
Chen
,
X.
Li
,
L.
Zhang
,
K.
Wang
,
H.
Li
,
L.
Gu
,
S.
Yan
,
G.
Miao
, and
Q.
Li
,
Matter
4
,
3605
(
2021
).
19.
G.
Long
,
Q.
Xue
,
Q.
Li
,
Y.
Shi
,
L.
Li
,
L.
Cheng
,
P.
Li
,
J.
Zhang
,
X.
Zhang
,
H.
Guo
,
J.
Fu
,
S.
Li
,
J. S.
Moodera
, and
G.
Miao
,
Adv. Electron. Mater.
7
,
2100512
(
2021
).
20.
Y.
Zhu
,
J. C.
Gonzalez-Rosillo
,
M.
Balaish
,
Z. D.
Hood
,
K. J.
Kim
, and
J. L. M.
Rupp
,
Nat. Rev. Mater.
6
,
313
(
2021
).
21.
S.
Dasgupta
,
B.
Das
,
M.
Knapp
,
R. A.
Brand
,
H.
Ehrenberg
,
R.
Kruk
, and
H.
Hahn
,
Adv. Mater.
26
,
4639
(
2014
).
22.
S.
Dasgupta
,
B.
Das
,
Q.
Li
,
D.
Wang
,
T. T.
Baby
,
S.
Indris
,
M.
Knapp
,
H.
Ehrenberg
,
K.
Fink
,
R.
Kruk
, and
H.
Hahn
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
7507
(
2016
).
23.
G.
Wei
,
L.
Wei
,
D.
Wang
,
Y.
Chen
,
Y.
Tian
,
S.
Yan
,
L.
Mei
, and
J.
Jiao
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
062404
(
2017
).
24.
Q.
Zhang
,
X.
Luo
,
L.
Wang
,
L.
Zhang
,
B.
Khalid
,
J.
Gong
, and
H.
Wu
,
Nano Lett.
16
,
583
(
2016
).
25.
Z.
Mustafa
,
D.
Pravarthana
,
B.
Wang
,
H.
Yang
, and
R.
Li
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
014062
(
2020
).
26.
Q.
Li
,
H.
Li
,
Q.
Xia
,
Z.
Hu
,
Y.
Zhu
,
S.
Yan
,
C.
Ge
,
Q.
Zhang
,
X.
Wang
,
X.
Shang
,
S.
Fan
,
Y.
Long
,
L.
Gu
,
G. X.
Miao
,
G.
Yu
, and
J. S.
Moodera
,
Nat. Mater.
20
,
76
(
2021
).
27.
J. Y.
Yi
,
C. L.
Platt
,
M. L.
Rudee
,
A. E.
Berkowitz
, and
T. L.
Cheeks
,
J. Appl. Phys.
79
,
5072
(
1996
).
28.
M.
Kovylina
,
M. G.
del Muro
,
Z.
Konstantinovic
,
M.
Varela
,
O.
Iglesias
,
A.
Labarta
, and
X.
Batlle
,
Nanotechnology
20
,
175702
(
2009
).
29.
Y.
Qin
,
Q.
Li
,
J.
Xu
,
X.
Wang
,
G.
Zhao
,
C.
Liu
,
X.
Yan
,
Y.
Long
,
S.
Yan
, and
S.
Li
,
Electrochim. Acta
224
,
90
(
2017
).
30.
P.
Poizot
,
S.
Laruelle
,
S.
Grugeon
,
L.
Dupont
, and
J.-M.
Tarascon
,
Nature
407
,
496
(
2000
).
31.
H.
Li
,
Z.
Hu
,
Q.
Xia
,
H.
Zhang
,
Z.
Li
,
H.
Wang
,
X.
Li
,
F.
Zuo
,
F.
Zhang
,
X.
Wang
,
W.
Ye
,
Q.
Li
,
Y.
Long
,
Q.
Li
,
S.
Yan
,
X.
Liu
,
X.
Zhang
,
G.
Yu
, and
G.
Miao
,
Adv. Mater.
33
,
2006629
(
2021
).
33.
A.
Quintana
,
E.
Menéndez
,
M. O.
Liedke
,
M.
Butterling
,
A.
Wagner
,
V.
Sireus
,
P.
Torruella
,
S.
Estradé
,
F.
Peiró
,
J.
Dendooven
,
C.
Detavernier
,
P. D.
Murray
,
D. A.
Gilbert
,
K.
Liu
,
E.
Pellicer
,
J.
Nogues
, and
J.
Sort
,
ACS Nano
12
,
10291
(
2018
).
34.
Z.
Li
,
Y.
Zhang
,
X.
Li
,
F.
Gu
,
L.
Zhang
,
H.
Liu
,
Q.
Xia
,
Q.
Li
,
W.
Ye
,
C.
Ge
,
H.
Li
,
H.
Hu
,
S.
Li
,
Y.
Long
,
S.
Yan
,
G.
Miao
, and
Q.
Li
,
J. Am. Chem. Soc.
143
,
12800
(
2021
).
35.
J. B.
Yi
,
J.
Ding
,
B. H.
Liu
,
Z. L.
Dong
,
T.
White
, and
Y.
Liu
,
J. Magn. Magn. Mater.
285
,
224
(
2005
).
36.
C.
Chang
,
S.
Chang
,
J.
Tsay
, and
Y.
Yao
,
Appl. Surf. Sci.
405
,
316
(
2017
).
37.
S.
Laureti
,
S. Y.
Suck
,
H.
Haas
,
E.
Prestat
,
O.
Bourgeois
, and
D.
Givord
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
077205
(
2012
).
38.
P. K.
Manna
and
S. M.
Yusuf
,
Phys. Rep.
535
,
61
(
2014
).
39.
A. J.
Tan
,
M.
Huang
,
C. O.
Avci
,
F.
Buttner
,
M.
Mann
,
W.
Hu
,
C.
Mazzoli
,
S.
Wilkins
,
H. L.
Tuller
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
18
,
35
(
2019
).
40.
J.
de Rojas
,
A.
Quintana
,
A.
Lopeandia
,
J.
Salguero
,
B.
Muniz
,
F.
Ibrahim
,
M.
Chshiev
,
A.
Nicolenco
,
M. O.
Liedke
,
M.
Butterling
,
A.
Wagner
,
V.
Sireus
,
L.
Abad
,
C. J.
Jensen
,
K.
Liu
,
J.
Nogues
,
J. L.
Costa-Kramer
,
E.
Menendez
, and
J.
Sort
,
Nat. Commun.
11
,
5871
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.