金属/氧化物阻变体系中氧空位动态调制的自旋动力学探测

The memristive metal-oxides encompass rich physical phenomena, and the RRAM device based on the resistive switching effect is one of the most competitive candidates for the next generation nonvolatile memories. Despite the utmost endeavors seen by the past years, the switching mechanism so far remains elusive. We here will fabricate different types of memristive metal-magnetic oxide systems, tailor the oxygen vacancies in the initial state (including the vacancy concentration, vacancy configuration, e.g., single isolated or clustered, order or disorder, special gradient), and further in-situ tune them in the memristive states (including through electrical pulses of varied polarity, width or magnitude). By exploiting the ultrafast magneto-Kerr spectroscopy，we will then systematically investigate the spin dynamics arising from the dynamic modulation of oxygen vacancies. The present study will help on clarifying the physical mechanisms for resistive switching, and meanwhile provide the physical base for developing RRAM and other novel oxide spintronic device.

金属/氧化物阻变体系蕴含丰富的物理现象,并且基于阻变效应的RRAM器件是下一代非易失存储技术的有力竞争者。虽然近年来引发广泛的研究热潮，但是目前关于阻变现象的微观机制仍未最后明确。本项目拟建立不同类型的金属/磁性氧化物阻变系统，实现氧空位在薄膜初始态的调控(包括空位浓度、空位组态比如单孤立空位或空位团，有序或无序、空间梯度等)，和在阻变态的原位动态调控(包括不同脉冲极性、宽度、强度)，进而通过超快磁光技术来探测阻变器件中由氧空位动态调制所诱发的自旋动力学响应。本项目研究成果将有助于深入理解和阐明电致电阻效应的物理机制，同时为阻变器件的实用化以及新型氧化物自旋电子学器件的研发提供物理支持。

金属-氧化物忆阻体系在非易失存储和人工智能等领域具有明确的应用前景，然而目前关于忆阻现象的动力学机制的研究还远未充分。本项目通过建立不同类型的金属-磁性氧化物阻变系统，实现氧空位在初始态和阻变态的原位调控 (空位浓度、空位组态、有序无序、空位梯度分布等)，系统研究了阻变过程中电荷-自旋-晶格的动力学响应，取得如下主要研究结果： i）以锰氧化物低温反铁磁电荷有序态（AFM-COO）及其熔化为研究探针，揭示了薄膜阻变器件中氧空位在金属-氧化物界面及体畴内的动态分布情况，首次原位观测到氧空位聚集对SrTiO3-105 K结构相变的阻隔效应，并在本领域首次提出氧空位化学膨胀导致的局域应变效应； ii）我们发现，金属-氧化物界面氧空位的有序堆积倾向形成空位链并在AFM-COO 基底上形成自旋向列相,这不仅使得金属-氧化物界面处AFM-COO畴熔化的临界磁场明显降低，而且能促进器件深处AFM-COO原始畴在低磁场下熔化；iii）在针尖-氧化物阻变系统中，我们发现具有可疏密的薄膜表面交叉线可以原位揭示氧空位组态的演变及关联效应；iv) 对界面型阻变动力学响应，我们建立了一种唯象理论描述和实验现象能较好地吻合。项目相关研究成果不仅拓展了人们对阻变现象和强关联物理的认识，而且对新型氧化物电子器件的研发具有十分重要的意义。