多物理场对电子自旋的调控机理及其存储器研究

Magnetic random access memory (MRAM) based on spin manipulation is expected to solve the contradiction between power consumption, speed, and size of information memory devices in post-Moore era. However, MRAM still has some issues such as low efficiency and high power consumption due to the large current for spin manipulation. This project intends to study the mechanism of multi-physical field regulation on the electronic spin and its application in memory devices. Electric field and light field effects are induced into the magnetic micro/nano structures by double layer of ionic interface and photovoltaic organic composites, respectively. The synergistic effects of magnetic field, current, electric field, and light field are utilized to explore the spin manipulation technology and to enhance the efficiency of spin current transport. Theoretical model of spin manipulation by multi-physical field will be established, and prototype memory devices based on multi-physical field regulation will be fabricated. This project will provide theoretical support for the development of new MRAM with low power consumption and high density.

基于自旋调控的磁随机存储器有望解决后摩尔时代信息存储器件的功耗、速度与尺寸之间的矛盾，但仍然存在电流调控自旋的效率低、功耗高等问题。本项目拟开展多物理场对电子自旋的调控机理及其存储器研究，通过离子界面双电层、光伏有机复合半导体等方式在磁性微纳结构中分别引入电场和光场效应，利用磁场、电流、电场、光场等多物理场的协同效应，探索对自旋和自旋流输运特性的高效调控技术，建立多物理场调控自旋的理论模型，制备基于多物理场调控的原型存储器件，为开发低功耗、高密度的新型磁随机存储器提供理论支撑。

基于自旋调控的磁随机存储器有望解决后摩尔时代信息存储器件的功耗、速度与尺寸之间的矛盾，但仍然存在电流调控自旋的效率低、功耗高等问题。本项目拟开展多物理场对电子自旋的调控机理及其存储器研究，通过离子界面双电层、光伏有机复合半导体等方式在磁性微纳结构中分别引入电场和光场效应，利用磁场、电流、电场、光场等多物理场的协同效应，探索对自旋和自旋流输运特性的高效调控技术，建立多物理场调控自旋的理论模型，制备基于多物理场调控的原型存储器件，为开发低功耗、高密度的新型磁随机存储器提供理论支撑。本项目立足于多物理场对电子自旋调控的方法与原理，实现光/电场可调的磁存储原型器件。项目执行过程中拟解决以下三个关键科学问题。首先，电场调控自旋取向的机理在电场对离子胶体/磁性超薄膜体系的电场测量中，实现磁电耦合测试的原位定量测量，对比磁性膜与离子胶体在调控前后在化学组成、界面状态上的差异，厘清静电掺杂、电化学反应等过程的适用范围，揭示磁电耦合效应调控自旋的物理机制。其次，光场调控自旋取向的机理，通过磁光耦合测试的原位、超快、定量测量，实现强效磁光耦合效应；优化测试器件以及光源照射器件的结构，测试光场辅助下磁电阻的变化规律，揭示光场调控自旋的机理。最终实现，多物理场协同作用下调控自旋的机理，在磁隧道结中集成制备磁场、电流、电场、光场等多物理量的输入端口，通过多物理场的协同作用，实现自旋和磁化的高效调控，通过磁、电、光与自旋耦合的原位定量测量，结合第一性原理计算，对比研究混合场与单一场调控的区别，理解多物理场协同作用下调控自旋的机理。