CoFe基垂直磁性薄膜的微观结构、磁性和外场调控研究

A series of very important physical phenomena are disclosed by external magnetic field and electric field tuning in magnetic thin films, such as giant magnetoresistance, tunneling magnetoresistance effects and spin transfer torque, STT effect. The studies on those novel phenomena not only play an important role in condensed matter physics but also have potential applications in magnetic recording and data storage. In this project, we will focus on the relationship between the important magnetic properties and the novel microstructures in CoFe based perpendicular magnetic films by using physical properties measurement and different kinds of TEM techniques such as Lorentz TEM, holography and in-situ TEM et al. The details are as follows: 1) optimize its design, fabrication condition and its microstructure characterization, control the microstructure and physical properties by different doping elements and amorphous-crystallizaion technique, disclose its intrinsic relationship; 2) Set up a special TEM experimental platform to systematically study the atomic structure, element distribution, interfacial features and magnetic domains and especially their in-situ dynamic evolution under external magnetic and electric field; 3) Based on the experimental results, establish the relationship between the structural characterization and the physical properties from the micro point of view and reveal the intrinsic physical mechanism .

磁性薄膜的磁电调控揭示一系列重要的物理现象,包括巨磁电阻、隧道磁电阻效应和自旋角动量转移力矩效应等，这些现象的研究不仅对凝聚态物理领域有非常重大的意义而且在信息领域也有更多潜在的应用，是基础研究的重大发现迅速转化为重要产品的典范。本项目综合运用磁性和磁输运等物性测试手段以及Lorentz、电子全息、原位外场调控等多种透射电子显微镜技术，重点研究CoFe基垂直磁性多层膜的磁性能、磁结构和微结构现象之间的相互关联。具体包括1）设计并优化磁性薄膜结构和生长条件，利用掺杂和非晶化-晶化手段调控薄膜微结构和相关物理性能，揭示其内在规律；2）总结出一套针对该体系的综合透射电镜实验方法，系统研究材料本身及界面处原子结构及元素分布特性和磁结构特点以及在外加磁、电场作用下原位动态磁畴结构演变；3）从微观角度建立磁性薄膜材料结构与宏观物理性能之间的相互关联，通过搭建模型，揭示材料各种特性的物理本质。

负责人在面上项目“CoFe基垂直磁性薄膜的微观结构、磁性能以及外场调控”实施期间，根据申请书中的计划安排和整体研究目标开展工作，圆满完成该项目的研究计划。1) 利用透射电子显微镜研究不同多层膜材料，揭示了磁各向异性与样品参数以及制备工艺之间的规律；2）通过调控各向异性制备了系列多层膜，利用申请人负责搭建的磁性材料综合表征平台，观察并研究了拓扑斯格明子生成，并进一步对其进行有效的外场电磁调控，在最佳调控条件下实现了高密度、非易失的、零场斯格明子，克服了斯格明子的强磁场、低密度的不足，从微观角度深入研究了拓扑物态与磁性、电磁性能的关系，不但可以深入理解磁性物态对材料物理性能的贡献，还可以通过调控材料的物态促进其应用；3）在此基础上，将相关研究内容拓展到具有不同各向异性的块体材料中，得到了不同组态的非线性磁畴结构，并对其进行外场调控研究。在本项目的支持下，取得了系列研究成果，致谢本项目编号的接受和已发表SCI论文共17篇。包括以通讯作者在《Nano Letters》、《Acta Materialia》、《Applied Physics Letters》、《Nanoscale》、《npj Quantum Material》、《Journal of Alloys and Compound》等杂志的12篇文章，以及5篇合作文章。项目执行期间以第一完成人申请专利3项，参与编写著作一本，到美国Ames Lab 交流合作三个月。2015年被选为中科院“青年创新促进会会员”，2017年获得物理所“科技新人奖”。