Pt/Heusler合金/MgO基垂直磁各向异性薄膜的制备及磁各向异性机制的研究

Half-metallic ferromagnets are hot pursued spintronic materials, since their high spin polarization and Curie temperature can dramatically improve the tunneling magnetoresistance. Up to now, all of the well-studied half-metallic films are in-plane magnetic anisotropy (IMA). However, IPA films show curling magnetic structure and vortex domain at nano scale, which results in storage message missing. Recently, our group is focusing on the research of how to realize half-metallic films with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). Our previous studies have obtained Co-based Heusler alloy films with PMA. However, the properties still need to be improved, especially the mechanism of PMA is still unclear. Therefore, we are planning to improve the half-metallic property and thermal stability of Pt/Heusler alloy/MgO based PMA films via both experiments and first-principles electronic structures calculations under the support of NSFC. And a more important task is to study the mechanism of PMA in Pt/Heusler alloy/MgO films.

由于具有高自旋极化率和高居里温度的半金属材料可以大幅度提高隧穿磁电阻效应，它已经成为磁电子学领域的研究热点之一。目前所有已知的半金属薄膜材料均呈面内各向异性。这种面内各向异性薄膜在加工成纳米尺寸后，会出现磁卷缩或涡旋磁畴，从而造成所存储信息的丢失。因此申请人所在的研究组已经开始着手研究如何实现具有垂直磁各向异性的半金属薄膜材料。通过我们的前期研究，目前已经初步获得垂直磁各向异性的Co基Heusler合金薄膜，但其性能还有待进一步提高，特别是其垂直磁各向异性的形成机制尚不明朗。我们拟借助本项目的支持，在前期工作的基础上, 结合实验和第一原理电子结构研究，提高Pt/Heusler合金/MgO多层膜的半金属性和热稳定性，并针对其垂直磁各向异性形成机理进行研究。

由于具有高自旋极化率和高居里温度的半金属材料可以大幅度提高隧穿磁电阻效应，它已经成为磁电子学领域的研究热点之一。目前所有已知的半金属薄膜材料均呈面内各向异性。这种面内各向异性薄膜在加工成纳米尺寸后，会出现磁卷缩或涡旋磁畴，从而造成所存储信息的丢失。我们借助本项目的支持，在前期工作的基础上，研究如何实现具有垂直磁各向异性的半金属薄膜材料。结合实验和第一原理电子结构研究，提高Pt/Heusler合金/MgO多层膜的半金属性和热稳定性，并针对其垂直磁各向异性形成机理进行研究。经过项目组成员的共同努力，顺利完成了本项目的全部研究任务，超额完成原定的研究目标。.我们经过四年研究，设计并获得了Pt/Co2FeAl0.5Si0.5/MgO/Pt、Pt/Co2FeAl0.5Si0.5/MgAl2O4、MgO/Co2FeAl0.5Si0.5/MgO/Pt等多种具有垂直磁各向异性的半金属基磁性薄膜结构，实现了具有高各向异性常数、低矫顽力、高热稳定性的B2相半金属垂直磁各向异性薄膜。研究采用MgO或MgAl2O4材料为氧化层，其厚度均可大于1 nm，即达到了PMTJ绝缘层的使用要求。研究获得的分别以MgO为底层和顶层的垂直磁各向异性薄膜满足了铁磁性隧道结顶电极和底电极的结构和性质要求，有望应用在自旋阀和隧道结器件中，实现高密度、高灵敏度磁传感器件。通过对垂直磁各向异性薄膜的理论和实验研究，我们清晰阐述了界面氧化作用对垂直磁各向异性的贡献。.在本项目资助下，共发表SCI论文30篇，其中影响因子2.0以上文章15篇；获得授权发明专利2项；培养博士毕业生5名，硕士毕业生5名，在读博士生2名，在读硕士生1名；出国参加国际会议3人次。项目负责人在2013年晋升为教授、博士生导师。