特征尺度下团簇组装磁异质结构自旋相关输运调控与机理

Spin-dependant transports for magnetic heterostructures are very sensitive to external physical fields at characteristic scales. Based on the duality of electrons, it is expected to design microelectrical devices with high speed and low power consumption. The effective regulation on the size of magnetic heterostructures has become the topic and difficulty in the field of spintronics. Since the cluster size can be modulated from few nanometers to hundreds nanometers, this project will focused on the regulations of spin-dependent transports for cluster-assembled magnetic heterostructures at characteristic scales. Spin-dependant transports are regulated by the composition and micro-scale of the heterostructure. The regulation of external physical fields, magnetic domains, stresses and magnetic torques on the spin-dependent transports will be explored by spanning the nanometer to mesoscale. Then, the relation between magnetic behaviors, interfaces, characteristic scales and spin-dependent transports will be built. The origin of the spin current regulated by cluster coupling and its physical natures will be analyzed. This project is very important to prompt the application and exploration of spintronic devices.

在特征尺度下磁异质结构的自旋相关输运性能对外物理场异常敏感，利用电子二重属性有望设计出高速低功耗微电子器件。对磁异质结构在特征尺度下的有效调控成为自旋电子学研究领域的重点和难点。基于团簇颗粒可以跨越几纳米到上百纳米空间尺度范围内连续调控，本项目旨在发展特征尺度下团簇组装磁异质结构自旋相关输运性能的调控。从磁异质结构的组分、微尺度调控电子自旋及输运性能，在特征尺度下实现自旋流的有效操控。在纳米到介观范围内探索外物理场、磁畴、应力及磁转矩对电子自旋相关输运的有效调控方法。在建立团簇内同类原子和异类原子间自旋、自旋流以及自旋与轨道相互作用机制的基础上，绘制团簇磁畴结构、团簇尺度对电子自旋相关输运演变规律的输运相图，探索自旋流的起源及其物理本质。并揭示团簇组装磁异质结构自旋相关输运调控的物理机制。本项目研究对于推动自旋电子学器件的应用与开发具有重要的科学意义。

团簇作为零维体系，大的比表面积使得一些受表面与界面效应调控的物理现象诸如反常霍尔效应、磁电阻等输运特性可以在特征尺度范围内实现尺度和外物理场的耦合调控。这些物理效应通常在特征尺度范围会发生突变，这有利于构建性能优异的存储器与传感器。同时团簇磁畴结构演化诱导增强的自旋轨道耦合对电子自旋相关输运影响很大。因此，将团簇颗粒作为自旋电子器件的功能单元并在介观尺度上调控输运性能将对新型功能器件的微观设计和性能调控具有重要意义。该项目利用团簇束流沉积这一独特而有效的技术制备了尺寸可调的团簇组装的铁性纳米结构薄膜，并通过改变团簇尺寸实现了输运性质的有力调控。在实现团簇组装的Fe/Fe3O4核壳纳米结构和Ni80Fe20及其复合异质纳米结构薄膜可控制备的基础上对体系的微观结构和输运性质进行系统的表征。发现了Fe/Fe3O4核壳纳米结构金属绝缘体转变、团簇组装Ni80Fe20薄膜中反常霍尔效应符号转变和磁电阻跳跃行为的特征尺度，同时揭示了团簇组装纳米结构调控自旋相关输运特性的物理机制。建立了团簇尺度调控自旋相关输运特性的演变规律与机理相图。本项目在特征尺度下全面探索了功能性团簇薄膜的电、磁性质，对于团簇组装磁异质结构自旋相关输运研究具有重要的前沿价值，为新一代高性能自旋电子功能器件的应用提供坚实的研究基础和技术保障。