电场驱动半金属性铁磁薄膜磁化强度非挥发性翻转和多态存储研究

Electric field-driven non-volatile magnetization switching and multi-state storage has become the hot issue of spintronics. In this project, a top-pinned spin-valve was designed as a storage cell on a single crystal ferroelectric substrate with high piezoelectric coefficient. The key point is to obtain the in-plane four-fold magnetic anisotropy (i.e. cubic magneto crystalline anisotropy) of the half-metallic Co-based Heusler alloy free layer with proper magnetostriction coefficient and to switch the magnetization of alloys among these four stable positions by the converse magnetoelectric effect of the cell upon applying an electric field. The micromagnetic simulation and theoretical analysis method will be used to investigate how to realize the Heusler alloy magnetization switching through choosing proper materials with suitable magneostriction coefficients. After that the stable 0, 90, 180 degree orientations of magnetizations between the Heusler alloy free layer and the top-pinned layer can be obtained by the variation of the electric fields. Thus at least three diffierent resistance states of the spin valve could be realized by electric field-driven according to the spin-dependent scattering of conduction electrons transporting in SVs. The electric-field-driven method suggested in this project has potential application for the new generation MRAM and related spintronics devices.

利用电场驱动磁化强度(M)非挥发性转动和多态存储是目前自旋电子学的研究热点。本项目以在单晶铁电衬底上制备的自旋阀(SV)为存储单元，以利用电场驱动在铁电衬底上外延生长的具有高自旋极化率和面内四重磁各向异性的Co基Heusler合金自由层(CHFL)磁化强度在面内4个能量极小方向的非挥发性转动为关键突破口。利用微磁学模拟和理论分析研究CHFL中磁晶各向异性能和应力各向异性能对M在面内稳定位置分布的影响因素，筛选出立方各向异性能和磁致伸缩系数适宜的CHFL材料，利用FM/FE中的逆向磁电效应实现CHFL中M在能量极小方向间的转动调控，实现SV中CHFL和钉扎层磁化强度在电场作用下0，90，180度稳定取向，获得传导电子自旋相关散射而导致的不同电阻态。最终实现电场驱动SV的多态存储目标，为电场驱动新一代MRAM以及相关自旋电子学器件提供依据。

随着大数据时代的到来，具有非易失性、高读写速度、高存储密度、低功耗和微型化的存储器成为了未来信息存储发展的主要趋势。利用磁性材料磁化翻转的磁存储依然是当下信息存储的主体。在磁信息存储的过程中，相比于通过外加磁场来实现信息的写入，在铁电/铁磁异质结中利用电场、电流甚至光调控铁磁性材料的磁化翻转来写入信息具有高存储密度、低能耗、局域化和高效率等优点。本项目主要研究了三部分内容：一是研究了铁电/铁磁异质结中电压驱动的磁化强度翻转规律和多态存储特性。筛选了与高压电系数PMN-PT单晶衬底相匹配的铁磁材料，利用磁控溅射的方法制备了高自旋极化率的外延Fe3Si/PMN-PT异质结，利用逆磁电耦合效应实现了电场作用下铁磁层材料磁矩的挥发性、非挥发性翻转，获得了三态的存储特性。二是研究了光场调控铁磁性薄膜磁化强度翻转规律。在Ni/PLZT异质结构中，利用波长为365 nm的紫外光照射异质结后，Ni薄膜的矫顽力从初始状态下的12.7 Oe减小为6.0 Oe，Ni薄膜的矫顽力发生了约52.8%的显著变化。在Ni/PMN-Pt异质结构中，当光强从0％，50％到100％逐渐增大时，剩磁比从0.6增加到0.8到0.9，利用光场实现了Ni薄膜磁化强度约90度的翻转。利用四端法测试得到Ni薄膜光致电阻变化大小约为85Ω，变化量为3.9%。三是研究了电流产生的自旋轨道力矩实现磁化强度的高效翻转，并且在Pt/Co/IrMn体系中利用自旋轨道力矩实现了交换偏置场符号的调控。通过对交换偏置场符号的控制，实现了多剩磁态的调控。利用磁光克尔显微镜揭示了多剩磁态的机理为电流产生的自旋轨道力矩驱动下的反铁磁畴的可控运动。由于反铁磁对外加磁场的免疫特性，这种剩磁态非常稳定，非常适合磁存储。据此通过改变电流密度的大小展示了多达6个态的存储实现方法。利用观测到的多剩磁态模拟了兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位的突触可塑性和它们的长期可塑性。这些研究结果为多态存储和人工神经计算打下了基础。