垂直磁化交换耦合复合薄膜结构的超快自旋动力学研究

In recent years exchange-coupled composite magnetic thin film system with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) has attracted great attention, since they are not only considered as the suitable media material structure for ultra-high density magnetic hard disk, but also can effectively solve the issue of thermal stability degradation as the cell size of STT-MRAM shrinks. Deep understanding and controll of ultrafast magnetization dynamics for such magnetic composite structures are of key importance for fast read/write speed, high storage density and low power consumption. In this project by using the time-resolved femto-second laser pump-probe technique based on the magneto-optical Kerr effect and micromagnetic simulation, we plan to systematically investigate the influence of exchange coupling strength, exchange coupling type, PMA strength, and material structure on the laser-induced ultrafast magnetization behaviors. We aim to gain a deep insight into the characteristics and varying trend of magnetization motion, uncover the physical mechanism for ultrafast demagnetization, magnetization relaxation, magnetic precession and damping, and achieve structural optimization as well as material property manipulation for practical applications in high-performance magnetic storage devices.

近年来具有垂直磁各向异性的交换耦合复合薄膜体系由于在信息存储领域的巨大应用前景而备受关注，它不仅是发展下一代超高密度磁硬盘介质材料的合适结构，而且可以有效解决自旋转矩型磁随机存储器存储单元尺寸减小时热稳定性变差的问题。深入理解并掌握垂直复杂磁性体系的超快磁动力学特性，对提高信息存取速度和存储密度、降低能耗至关重要。本课题拟采用时间分辨的磁光克尔效应激光泵浦探测技术，辅之以微磁学模拟分析，系统研究垂直磁化交换耦合复杂体系中耦合强度、耦合类型、垂直各向异性能和材料结构等因素对激光诱导超快磁动力学行为过程的影响；认识磁矩运动的特征和变化规律，揭示影响超快退磁、磁弛豫恢复、进动翻转和阻尼因子的物理机制；实现对复杂垂直耦合薄膜体系材料结构及其性能的调控和优化，为发展高性能磁存储设备奠定基础。

自旋电子学器件，例如自旋力矩型磁随机存储器，利用电子的自旋自由度来对信息进行存储和处理，不仅能够有效避免焦耳热的产生，而且能够实现高速的操控。本项目针对构建高速低功耗存内计算芯片的迫切需求，对自旋电子学薄膜材料和器件的物性，特别是易轴垂直取向交换耦合体系中激光诱导的超快自旋动力学开展了全面深入的研究，主要成果有：（1）设计了四类不同的直接或间接、铁磁或反铁磁耦合结构，通过系统的对比分析，掌握了动态磁性的变化规律，建立了进动模式、进动幅度、进动频率以及阻尼系数等与垂直交换耦合类型和耦合强度的依赖关系；（2）探讨了面内各向异性薄膜材料CoFeB、Co2FeSi的进动阻尼特性，阐明了影响阻尼系数的本征和外部因素，获得具有高自旋极化率、低阻尼因子以及合适垂直各向异性强度的合适材料和优化结构，实现对材料优异性能的宏观调控；（3）采用具有较强内禀自旋轨道耦合作用的二维过渡金属硫化物（TMD）或三维拓扑绝缘体（TI）作为磁性薄膜的底层，系统研究了磁性层进动所产生的自旋流及其输运特性。与没有TMD或TI层的薄膜相比，异质结体系的界面自旋混杂电导和阻尼系数显著增加，证实了TMD和TI层对自旋流的强大调制能力；（4）基于这些超快自旋动力学研究结果，我们还制备了垂直磁化的自旋轨道矩霍尔器件，利用二次谐波方法探究了器件中SOT效率的温度和界面依赖性，提供了一种全新的打破对称性实现零场辅助磁化翻转的新思路。这些研究结果对研发高性能的存算一体自旋电子学器件具有重要的参考价值。在该项目资助下，共发表研究论文34篇（其中本人为通讯作者的有26篇），申请国家发明专利1项，参加国内国际会议并做报告合计13人次。项目资助期间培养博士研究生5名，硕士研究生2名。