磁性多层膜中斯格明子拓扑自旋结构的多场调控及物理机制研究

Magnetic skyrmions is considered as a new spintronic material with chiral nontrivial topological spin structure. The creation, observation and manipulation of magnetic skyrmions exhibits abundant physical phenomena and great potential application in further high storage density and low power magnetic storage device. This project is based on the magnetic films with skyrmions spin structure and on the novel principle device composed of skyrmions films. The research mainly includes the preparation and real space observation of magnetic skyrmions films, topological spin-dependent transport property and so on. And the focus is the physical mechanism of magnetic skyrmions manipulated by multi-field (electric field, current, temperature gradient field, etc.) and dynamics process. The challenge is to fabricate the new materials with skyrmions spin structure and to observe the real space topological spin structure with advance characterization such as PEEM. The project also is to study the relationship between the structure of magnetic skyrmions films and topological spin structure, and to solve the problems for the novel principle device with skyrmions spin structure, such as physical mechanism, materials preparation, and the device principle.

磁性斯格明子是一种具备手性非平庸拓扑自旋结构的新型自旋电子材料。磁性斯格明子拓扑自旋结构的形成、观察和调控包涵了丰富的物理机制，同时在高密度、低功耗新型信息存储领域具有巨大的潜在应用前景。本项目以磁性斯格明子薄膜及由相关薄膜构成的原理型器件为主要研究对象，拟开展磁性斯格明子薄膜材料制备、拓扑自旋结构实空间观察、拓扑自旋相关输运特性和材料结构等方面的研究。重点研究如何利用多种外场（电场，电流，温度梯度场等）的协同作用调控磁性斯格明子，探究磁性斯格明子多场调控的动力学过程和物理机理；探索具有磁性斯格明子拓扑自旋结构的新材料、新结构，制备高质量的磁性斯格明子新型低维材料，并利用深紫外激光光发射电子显微镜（PEEM）等先进观测手段对拓扑自旋结构进行实空间观察；研究磁性斯格明子薄膜微观结构与拓扑自旋结构的内在关系，探索基于磁性斯格明子的新型磁性存储原理型器件中材料、物理与相关技术问题。

项目按照计划执行，研究进展顺利，共发表论文15篇，专利2项（中国授权专利2项），圆满完成各项任务。取得的主要成果包括：1）拓扑磁性的多场调控研究。利用洛伦兹透射电镜技术结合原位外加多场（磁场、电流、温度等）发展了多场调控拓扑磁畴的方法，重点研究了霍尔天平材料中磁性斯格明子的形成与调控，实现了高密度室温磁性斯格明子的稳定形成，并利用脉冲电流和磁场的协同效应成功实现了多种磁畴状态的切换。2）霍尔天平材料中磁电输运性质调控的研究。通过界面/表面修饰与调控等方法，在NiO隔离层和Co/Pt多层膜中引入具有一定活性的Pt团簇优化界面结构和调控霍尔天平材料的磁各向异性与耦合状态，进一步降低霍尔天平材料反平行的霍尔电阻值，最终实现霍尔电阻比率可控，利用磁电输运测试技术进一步表征了霍尔天平材料中的层间DM相互作用。3）基于自旋轨道力矩诱导磁化翻转的研究。通过界面调控、原子占位替代等多种方法，在Ta/CoFeB/MgO、Pt/Co/HfO2、L10FeCrPt等磁性薄膜材料体系中，实现了无外磁场辅助的自旋轨道力矩诱导磁化翻转行为，并阐明了其中的物理机制，并实现了多种布尔逻辑操控运算。4）磁性多层膜/薄膜调控的研究。采用分子束外延技术制备了具有单晶外延的Fe单质薄膜和Pt/Co/Pt多层膜体系，利用退火、晶格匹配等方法诱导薄膜表面原子重构，从而优化了电子散射机制，实现了磁各向异性和反常霍尔效应的有效调制。并通过结构表征与散射机制分析，揭示了磁电输运性质与单晶外延薄膜的晶体取向和结构之间的内在关联。