形状记忆合金对FePt复合膜磁性能的"非易失性"调控特征及机理研究

This project is a foundational research which aim to solve the issue of nonvolatile manipulations on magnetic properties of FePt based thin films applicable to the information storage devices, and to develop novel and pragmatic FePt based magnetic materials. The scientific problems should be solved are: (1) Realizing the nonvolatile manipulations on the magnetic properties of FePt based films (magnetic anisotropy Keff and coercivity Hc) by comprehensive materials designation; (2) Exploring the mechanism of magnetic property tunability by characterizing interfacial micro and magneic structure of the FePt based composite films on a nano scale or a atomic scale. In this project, shape memory alloy, which is able to produce an interfacial and nonvolatile elastic strain, is proposed as the substrate or the buffer layer of FePt based films. The nonvolatile manipulation on magnetic properties of FePt based films are expected through tune magnetocrystalline anisotropy, interfacial anisotropy, and energy barrier for FePt mangetic domain motion. Moreover, High resolution transmission electron microscopy,Polarized neutron reflection, micromagnetic simulation, and angle resolved X-ray photoelectron spectroscopy are supposed to characterize the interfacial microstructure and magnetic structure of the films, and to explore the mechanism of the nonvolatile manipulations on the magnetic properties.

本项目针对信息存储器件中存在的关键磁性材料的"非易失性"性能调控难题，拟开展新型FePt基复合磁性材料的应用基础研究。拟解决的科学性问题：（1）通过材料的综合设计，对FePt基复合膜的磁性能（磁各向异性Keff和矫顽场Hc）进行"非易失性"调控；（2）综合界面附近的晶体结构、磁结构及电子结构等信息，揭示磁性能调控机理。本项目拟利用形状记忆合金作为FePt基复合膜的基底，利用其形状记忆效应产生的"非易失性"大弹性应变，调控FePt基复合膜的磁晶各向异性、界面各向异性及磁畴运动势垒，进而实现对FePt基复合膜磁性能的"非易失性"调控。此外，综合利用高分辨电子显微镜、极化中子反射谱、微磁模拟计算及角分辨X射线光电子能谱技术，表征上述薄膜界面附近区域的晶体结构、磁结构和电子结构，以阐明弹性应变对FePt基复合膜磁性能的"非易失性"调控机理。

本项目针对信息存储器件中存在的关键磁性材料的“非易失性”性能调控难题，开展了一系列应用基础研究。解决的科学性问题是：（1）Fe 基复合膜的磁性能（磁各向异性能Keff 和矫顽场Hc）的“非易失性”调控；（2）上述磁性能调控机理。在项目实施过程中，我们利用大弹性应变、N原子掺杂等一系列“非易失性”调控方法，调节了Fe 基复合膜的晶体结构、电子结构以及磁畴结构，进而实现对其磁性能的“非易失性”调控；并且，我们综合利用HRTEM、XPS、XAS、XLD等一系列界面表征方法，研究了上述薄膜界面微观结构的变化；并结合第一性原理计算的理论验证，阐明了上述磁性能的调控机理。相关研究成果已发表在13篇SCI论文中，包括Adv. Funct. Mater.（2篇）、ACS Appl. Mater. Interfaces（1篇）、Appl. Phys. Lett.（1篇）等；申请发明专利3项（授权2项）；培养研究生13名。. 具体研究成果如下：（1）发现了弹性应变对铁磁薄膜材料的自旋轨道耦合强度的增强作用，非易失性地调控了L10-FePt薄膜的磁各向异性；（2）利用弹性应变控制铁磁薄膜材料反向磁畴的形核势垒，可逆且非易失性地调控了L10-FePt薄膜的反转特性和反转场大小；（3）利用形状记忆合金的超大应变，调控了铁磁金属/氧化物界面氧离子的动力学行为，发现了铁磁材料的轨道重构现象及其对界面磁各向异性的显著增强作用，澄清了磁-离子耦合作用的物理机制；（4）阐明了N原子对铁磁金属-氧之间的配位环境和电荷分布的调制效应，进而在铁磁金属中获得了可控的轨道磁性，并在室温下实现了铁磁金属/氧化物界面磁各向异性的显著增强和宽值调控；（5）通过弹性应变工程，显著降低了Fe16N2合金薄膜材料中的N有序占位的能量势垒，提高了其饱和磁化强度和磁晶各向异性。上述研究成果具有重要的应用价值，可为信息存储、传感器件的发展提供材料基础，并为其产业化提供了科学和技术支撑。同时，本项目具有重要的学术价值，发展了一系列原子尺度或电子尺度上的调控手段，为自旋电子学材料中的界面设计提供了科学依据和实验基础。