反铁磁单晶超薄膜自旋结构和自旋输运研究

It is a vital task in spintronics research to find new type of materials and new-type spin-dependent transport effect. The antiferromagnetic films have been widely applied in the spintronic devices, which utilizes the exchange coupling effect at the antiferromagnetic/ferromagnetic interface, but little was paid attention on the spin-dependent transport properties in antiferromagnetic material. In this proposal, we will use the MBE technique and the Laser-MBE technique to grow the high-quality single crystalline antiferromagnetic film, and study its spin structure and manipulate the AFM spin structure with the strains by the synchrotron-related techniques， then we will further study the exchange coupling effect in single crystalline films. we will also prepare high-quality single crystalline antiferromagnetic spin valve system and the tunneling magnetic structures, and studying the spin-dependent transport phenomenon in the strtures using the exchange coupling effect to control the antiferromagnetic spin orientation. We believe that we can build up the correct relation between the antiferromangetic spin and the transport properties, and hopefully built new type spintronic devices.

自旋电子学的进一步发展需要在新型材料中发现新的自旋输运效应。反铁磁薄膜材料在自旋电子器件中得到广泛应用， 主要利用了铁磁/反铁磁界面的交换耦合作用，但是反铁磁薄膜本身的自旋性质和自旋输运性质较少得到重视。本项目将利用分子束外延和激光分子束外延技术生长单晶反铁磁薄膜， 利用同步辐射技术探测反铁磁自旋性质及其调控方法,进一步探测反铁磁/铁磁异质结构交换耦合； 生长高质量的单晶反铁磁自旋阀和隧道结结构,利用交换耦合作用控制反铁磁自旋方向，研究其中自旋输运现象和物理机制，并设计新型的自旋电子器件。

本项目主要是利用分子束外延和激光分子束外延技术生长单晶反铁磁薄膜，利用同步辐射技术探测反铁磁自旋性质及其调控方法,进一步探测反铁磁/铁磁异质结构交换耦合,利用交换耦合作用控制反铁磁自旋方向，探索铁磁和反铁磁超薄膜中的自旋相关输运性质。经过四年的项目实施，我们共发表研究论文25篇， 其中 Phys. Rev. Lett.1篇、Nature communication 1篇，Phys. Rev. B 8篇、Appl. Phys. Lett. 1篇,scientific report 1篇。在国际重要学术会议做邀请报告10次，并组织国际学术会议1次。培养学生11名，其中博士8名，硕士3名。.本项目取得的科学研究成果主要有：（1）外延生长了高质量的Fe/CoO（001）薄膜，利用同步辐射x光磁线二色效应和磁光克尔效应，发现可以利用薄膜应力、原子台阶、界面耦合控制反铁磁自旋的方向，并首次测量反铁磁磁畴激发的过程和激发能，为反铁磁自旋电子器件中反铁磁磁畴的翻转提供了实验基础。（2）研究了单晶CoO/NiO反铁磁异质体系中的界面反铁磁邻近效应，发现反铁磁界面耦合可以导致反铁磁自旋转向相变和反铁磁奈尔温度的变化，同时指出邻近效应的厚度范围为2nm左右，我们的研究指出了一种反铁磁自旋特性调控的新手段。(3)首次发现了Fe/Ni/Cu（001）和（Co/Ni）n/Pt（111）超薄膜中具有手性的尼尔型磁畴壁，并利用界面工程实现了对于手性的调控，并在（Pt/Co/Cu）n具有反演对称破缺的多层膜体系中观测到高密度的条纹磁畴。（4）研究了单晶Fe3O4薄膜的外延生长，发现可以通过飞秒激光来调控其Verwey相变下的电荷有序的方向，表明其中存在磁电耦合效应，同时还证实Pt/Fe3O4双层膜中存在自旋霍尔磁电阻效应。（5）研究了单晶外延磁性薄膜中的磁电阻效应和磁光克尔效应，仔细研究了磁电阻效应和磁光克尔效应的各向异性，进一步理解其中自旋轨道耦合效应和晶体结构的关联。通过本项目的实施，完成了研究计划，达到了原定研究目标。