基于反常霍尔效应的新型自旋电子材料微结构调控和电磁性能

This project aims at the fundamental problems that will be encountered in realization of a brand new spintronic elements based on the anomalous Hall effect (AHE) in a spin-valve-like structure. The AHE mechanism and the magnetic anisotropy as well as the exchange coupling in the multilayered structures with metal/insulator interface will be studied with emphasizing the interplay of AHE/anisotropy/exchange coupling and the artificial structures. Finally the Hall spin valve (HSV) films with large three-level-output AHE signals, low coercivity, and high thermal stability will be developed.The Key scientific issues include: (1) How to tune the magnetic anisotropy of the AHE materials? (2) How to tune the interfacial exchange coupling between the two ferromagnetic layers in HSV? (3) How to effectively enhance the AHE in HSV? (4) How can realize the electric field assisted magnetization switching (VIMS) in HSV? (5) What is the relationship between interfacial microstructures, chemical states, and the corresponding physical properties.

本项目力图解决在实现新型以霍尔自旋阀为基础的自旋电子学元件所遇到的一些基础性的问题。深入理解霍尔自旋阀中反常霍尔效应和磁各向异性的机理，并建立相关模型；优化出具有良好电磁性能的可以实现高输出信号、低矫顽力、高热稳定性的霍尔自旋阀材料。拟解决的关键科学问题是：（1）调控霍尔自旋阀材料磁各向异性，揭示其物理机制；（2）调控霍尔自旋阀材料中两铁磁层间的磁耦合，阐述其物理机理；（3）如何提高铁磁层的反常霍尔效应？界面散射如何作用于反常霍尔效应？霍尔自旋阀体系中内禀机制和外禀机制对反常霍尔效应的贡献？（4）如何实现利用电场来辅助操控霍尔自旋阀结构中的磁矩方向？（5）揭示界面原子结构、原子化学状态等界面行为及其与相应物理效应之间的关系，指导基于反常霍尔效应的新型自旋电子材料设计与制备，并优化其电磁性能。

本项目力图解决在实现新型以反常霍尔自旋电子材料为基础的自旋电子学元件所遇到的一些基础性的问题，深入理解反常霍尔效应和磁各向异性的机理，主要研究成果如下：（1）控制界面微结构提高霍尔 自旋天平材料的磁性和输运性能，设计并制备了一种霍尔自旋天平材 料，Pt(0.6)/[Co(0.4)/ Pt(1)]3/ Co(0.4)/Pt(0.3)/ NiO(1.1) /Pt(0.3)/ [Co(0.4)/ Pt(0.8)]4 (in nm)，通过用CoO包覆三明治结构，成功地使得霍尔磁电阻值提高了302%。通过对NiO的厚度进行一系列的优化，在外场作用下实现了多个[Co/Pt]3 周期层的磁矩逐个翻转。（2）调控金属/氧化物界面化学状态提高垂直磁各向异性和相关输运性能。通过调控Co/ MgO、FePt/MgO和CoFeB/MgO界面化学状态，可以获得很好的垂直磁各向异性。（3）调控界面电子结构提高垂直磁各向异性和相关输运性能。如施加大应变、原子掺杂等，改变氧离子的几何环境或铁磁-氧的配位环境，实现对铁磁/氧化物界面氧行为和磁各向异性的有效控制。还发展了简单易行的水相和油相体系方法来制备材料形貌、大小、结构和组份可调控的过渡金属纳米材料: 首先制备了具有单分散性高、特定暴露晶面和结晶性好等特点的高质量的双元过渡金属纳米结构，如NiPt纳米空心球、NiPt单层和双层纳米碗、FePt空心球链、NiPt截角八面体、CoPt截角八面体、NiAu哑铃结构、Au@Ni核壳结构和NiAu合金结构等多种纳米结构。深入研究了双元过渡金属纳米材料的生长参数、形成机理以及性质与其微结构之间的构效关系。在此基础上，我们设计制备了Au@Ni12P5核壳纳米晶，Ni(OH)2@Co(OH)2纳米环、Ni0.25Co0.75(OH)2六方纳米片、-Fe2O3的纳米板、NiFe2O4微球和八面体等金属-半导体纳米结构。深入研究了材料微结构与其磁性、光学、催化等性能之间的关系。在项目执行期间共发表SCI学术论文96篇。组织国内外学术会议4次，在国际学术会议做Keynote报告3次， 邀请报告13次，在全国学术会议邀请报告11次，获得国家发明专利2项。