多场调控新型磁性功能薄膜材料、物理及器件原理研究

With increasing the magentic information storage density, the 3-dimentional size in their core structure of spintronic devices reaches nano-scale. Further improvement in their functions has been limited by physical principles, such as Moore law and super paramagnetism. In this project, the investigation on the physical mechanism of terminal layer design and interfacial modification is the main scientific issues. The terminal layer design and interfacial modification will be used as the one of main methods and techniques, and the changes of the system under multi-field manipulation will be the main research topics. Where the novel magentic materials with both high spin polarization and huge perpendicular anisotropy will be developed, and the terminal layer design and interfacial modification will be applied as physical methods, which can enhance the effect of multi-field manipulation. At the same time, in-situ TEM technology will be used to investigate the microstructures and dynamics of magnetization in order to establish the relationship with novel macro-physical properties and to illustrate their physical mechanism. Novel spintronic devices will be constructed in order to finally solve the limits of magentic information technology. The first-principles calculation will be applied to design the materials structures, where the terminal layer design and interfacial modification will be used to fabricate the magentic films/multilayers exhibiting both high spin polarization and huge perpendicular anisotropy in order to constructe new type of multi-functional spintronic devices. The key focus will be given to the materials optimization, deposition, novel physical phenomina, and device working principles.

随着磁信息存储密度的进一步提高，自旋电子学器件核心单元的三维尺度已降低至纳米量级，进一步提高其功效面临诸如摩尔定律和超顺磁极限等技术和物理极限的挑战。本项目以终止层设计和界面修饰为主要技术手段；以获得兼有高自旋极化率和大垂直各向异性材料为主要研究目标，并以此为基础构建高性能自旋电子学原理型器件。项目围绕终止层设计和界面修饰调控材料性能的物理机理这一主要科学问题，重点研究多场作用（如磁场、电场、温度场、自旋极化电流、纯自旋流）对材料及其器件功能的影响；采用洛伦兹透射电子显微镜和深紫外激光光发射电子显微镜等手段研究材料在外场激励下静态显微结构、磁化状态以及动力学行为，建立宏观物性与微结构之间的关联，并力求从经验层次提升到具有微观基础的新理论，为突破磁信息技术瓶颈提供材料、物理和器件原理基础。

项目按计划执行，研究进展顺利，共发表论文67篇、专利9项（其中授权美国、日本专利各1项、授权中国发明专利6项、申请中国发明专利1项），圆满完成各项任务。取得的主要成果包括：1）磁性斯格明子材料的多场调控研究，利用洛伦兹透射电镜结合原位多场（磁场、电流、温度等）发展了调控拓扑磁畴结构的方法，研究了多种磁性斯格明子结构的生成与调控。首次在零磁场下实现了非易失高密度MnNiGa斯格明子阵列，解决了过去斯格明子需要在磁场下才能稳定存在、而去掉磁场斯格明子就会消失的瓶颈问题。设计并制备了Pt/Co/Ta系列磁性多层膜，首次获得了尺寸小于50纳米的高密度斯格明子阵列。2）霍尔天平材料的调控研究，通过界面/表面修饰和调控方法，在[Co/Pt]4/NiO/[Co/Pt]4霍尔天平材料的界面处插入超薄CoO层来优化界面结构并调控体系的垂直磁各向异性，进一步降低霍尔天平材料处于反平行态时的霍尔电压值，最终将霍尔电阻比值大幅度地提高到69,900%。3）磁性薄膜/多层膜的调控研究，澄清了铁磁金属单层薄膜中影响其各向异性磁电阻的多重因素，证明了使用特定的角度依赖磁电阻关系作为自旋霍尔磁电阻的判断是必要但不充分条件；设计制备了具有高温度稳定性、高垂直各向异性、低矫顽力的Mo/FeNiB/MgO薄膜和相关磁性隧道结，是对现有垂直CoFeB/MgO/CoFeB材料的重要补充。4）磁相变材料的探索和调控研究，研究了MnCoGe(Fe)在高温分级淬火和低温循环时效下相变的演变行为，发现了不同分级淬火带来不同数量的热空位可以不同程度地降低相变温度，而低温循环时效可以释放热空位使得体系的相变温度回到高温；在Ni-Mn-Ti马氏体中引入磁性元素Fe，在降低相变温度的同时建立了母相的铁磁耦合，得到了Ni-Mn-Ti(Fe)磁结构相变体系。5）深紫外激光光发射电子显微术研究，在以深紫外激光为激发源的光发射电子显微镜系统上成功地观察到L10-FePt薄膜磁成像，分辨率高达43纳米，与采用同步辐射光源作为激发源的磁成像分辨率处于同一量级，率先实验室条件下（不依赖于同步辐射大型装置）实现分辨率优于50纳米的高分辨磁成像。