用于自旋信息存储的磁纳米异质结构新功能材料及其器件物理研究

The project will focus on exploration and research of the magnetic nano- heterostructures and new functional materials for spin information storage. In the project, the magnetic functional materials and magnetic nano-heterostructure with electric field manipulation and electrically assisted manipulation effect will be fabricated and studied, which includes MgO and AlOx barrier-based oxide/metal magnetic heterostructures, CoFeB/MgO/CoFeB based tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy, BiFeO3-based multiferroic/ferromagnetic nano-hybrid magnetic heterostructures, multiferroic/ferromagnetic spin valves and hybrid magnetic tunnel junctions and so on. First principles calculation will be also carried out for the further illustration of the physical mechanism of electric field manipulation and electrically assisted manipulation effect in these magnetoresistance functional materials. These novel functional materials together with one or two demo device designs with independent intellectual property rights will be developed, in order to fit the great demand for the development of spintronics and spin information storage technique.

该项目将重点探索和研究用于自旋信息存储的磁纳米异质结构新功能材料及其器件原理，设计和制备一些具有电场调控或者电场辅助调控的新型磁电阻功能材料及其磁纳米异质结构，特别是基于MgO和AlOx等氧化物势垒并具有垂直磁各向异性的氧化物/磁性金属异质结构及其CoFeB/MgO/CoFeB等垂直磁性隧道结、具有室温多铁性/铁磁性复合磁纳米异质结构、以及具有室温多铁性的基于BiFeO3/铁磁性薄膜的复合自旋阀和复合磁性隧道结等等。研究其中的电场调控或电场辅助调控磁矩、磁电特性以及磁电阻效应的物理机制，并结合第一性原理计算研究、进一步阐明电场调控该类新型磁电阻功能材料的物理本质，发展出一、两种有自主知识产权的电场调控或电场辅助调控的异质结构磁电阻功能材料及其器件设计原理，以满足发展自旋电子学和自旋信息存储领域里的关键功能材料、物理机制和器件原理的重大需求。

本项目研究目标为探索用于自旋信息存储的磁纳米异质结构新功能材料及其器件原理，设计和制备一些电场/电压调控或者是电场辅助调控的新型磁电阻功能材料及其磁纳米异质结构，特别是具有垂直磁各向异性的氧化物/磁性金属异质结构以及复合自旋阀和复合磁性隧道结等。课题组根据现有条件、已有工作基础和和国际前沿发展，不但在铁电/铁磁这类磁纳米异质结构中探索和研究了实现自旋存储的材料体系和物理原理，研究了相关的物理现象和器件热稳定性等关键问题，同时探索和研究了由重金属、铁磁绝缘体、磁性二维材料等构成的新型磁纳米异质结构，取得的主要成果如下：.(1) 多铁方面：优化制备了以BiFeO3为代表的多铁/铁磁材料的异质结构，研究了不同结构中的铁电性质、磁学性质、磁电耦合性质以及铁电极化方向对异质结构的稳定性的影响、铁电畴壁类型对交换偏置的影响。.(2) 第一性原理计算方面：在Co/BaTiO3/CoO/Co多铁和铁磁复合结构中同时获得了较高的TMR和TER效应，并且在无掺杂的(Co2)9-TiO2-(BaO-TiO2)5 -CoO-Co多铁隧道结中，通过外加电场改变铁电势垒BaTiO3 (BTO)的电极化方向，可以实现该隧道结的整个势垒在金属性-绝缘性之间转变，获得超高TER效应。.(3) 磁性隧道结方面：制备和研究了Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe双势垒磁性隧道结中的量子阱态效应，并观测到了新奇的基于量子阱态的共振隧穿磁电阻(QW-TMR)效应，实现了自旋共振隧穿二极管。在纳米环状磁性隧道结中研究了回跳效应和ST-FMR效应，并分别基于这两个物理效应提出了新型自旋随机数字发生器和自旋微波探测器两种原型器件。.(4) 电流调控方面：系统地研究了基于自旋轨道力矩驱动的磁矩翻转，实现了一种可在同一个磁性异质结构中具有非易失性、多功能、可编程的五种逻辑功能的原型器件；提出了一种可在零场下工作的面内-垂直耦合的T型磁结构，并在不同材料体系中分别实现了不需磁场辅助的磁矩翻转；设计并演示了由纯电学手段操控的多功能可编程自旋逻辑原型器件。.(5) 新型磁纳米异质结构方面：研究了二维磁性材料Fe3GeTe2、铁磁绝缘体YIG与重金属Pt组成异质结构的磁电特性，通过自旋轨道力矩效应实现了两种材料的磁矩翻转，构造了基于二维磁性材料和磁性绝缘体的自旋存储器件结构。