磁性隧道结中自旋塞贝克效应的研究

The project is based on the magnetic tunnel jucntions, with a focus on the thermalvoltage generated by a temperature gradient across the barrier, called spin Seebeck effect. The research mainly includes the amplitude, sign, stability of the spin Seebeck voltage, and its relationship with the intrinsic behavior of magnetic tunnel junctions. The key research is focused on the fundamental physics of spin Seebeck effect in the magnetic tunnel junctions, including the relationship between the amplitude of Seebeck voltage and the MR ratio in the magnetic tunnel junctions. The project will investigate the effects of the configuration of two ferromagentic layers, the interfacial structures, and the barrier materials on the spin Seebeck effect. The aim is to explore the pontential methods to generate an uniform and controllable temperature gradient across the junctions, to explore the methods and technology to generate and manipulate the thermalvoltage across the barrier, and to explore the principles of the application of spin Seebeck effect in spintronic devices, with a focus on the materials and physics.

本项目以磁性隧道结为对象，研究势垒层两边铁磁电极之间由于温度梯度所产生的热电势，即自旋塞贝克效应（Spin Seebeck Effect）；主要包括热电势的大小、符号、稳定性、以及上述性质与磁性隧道结本征特性的内在关系。重点研究磁性隧道结中自旋塞贝克效应的机理问题，包括自旋塞贝克电压大小与磁性隧道结中磁电阻比值的关系；研究上下铁磁电极之间温度梯度对磁性隧道结中自旋相关输运特性的影响，如偏压、温度依赖关系；研究外加磁场改变上下铁磁层磁化方向的相对取向、界面结构、以及势垒材料等对自旋塞贝克效应的影响。探索在1到2纳米厚势垒层两边产生均匀、可调的温度梯度的方法；探索产生与调控磁性隧道结中自旋塞贝克效应的方法和技术；探索自旋塞贝克效应在自旋电子学器件中的应用原理和方法；重点解决自旋塞贝克效应在应用中的基础物理问题、结构设计、和材料优化等。

在基金委面上项目：磁性隧道结中自旋赛贝克效应的研究（批准号：11274371，执行时间：2013年1月-2016年12月）的资助下，项目负责人及其研究团队以磁性隧道结为对象，开展了自旋赛贝克效应以及相关物性的研究。自旋塞贝克效应的核心是利用温度梯度来控制不同自旋取向电子的运动，为调控纯自旋流和自旋压提供了有效的途径，也为开发更加节能的新型自旋电子学器件提供思路。所取得主要成果包括：1）在磁性隧道结研究方面，突破势垒层厚度超薄、缺陷较多及界面结构复杂的挑战，制备出高质量、垂直各向异性磁性隧道结；发展了利用势垒层带宽来调控自旋相关输运性质的新思路，并采用Zn掺杂调节MgO势垒层能带宽度，实验上成功地实现对电阻与结面积乘积、偏压依赖关系及磁电阻比值等参数的综合调控，为研发以MgO基磁性隧道结为核心的自旋电子学器件提供了新方向。2）在霍尔天平材料研究方面，首次提出霍尔天平的概念，实验上在垂直磁性自旋阀中，成功地将磁矩正向平行态和反向平行态的磁电阻比值区分开，实现了反常霍尔电压的三组态甚至多组态，突破了传统磁性隧道结仅能提供二组态的瓶颈；进一步利用表面和界面效应来调控体系性能，将霍尔磁电阻比值从830%提高到69,900%，有望大幅度提高磁信息存储密度。3）在磁性纳米材料研究方面，开发出了一种低温、高效的全新离子交换法，成功地实现了异价金属离子在II-VI族半导体纳米晶中的深度和稳定掺杂，获得了高效、高纯的掺杂发光，绝对量子产率达42%，其掺杂发光的稳定性高达一年以上；进一步发展了室温下电置换反应合成方法，利用一步法在水溶液制备出磁性金属与铂的双元纳米空心结构（如CoPt、FePt、NiPt），并采用外磁场诱导形成有序排列的空心纳米链；将高分辨原子序数像与晶体学分析相结合，原位研究磁性纳米材料在催化反应前后原子结构的演化，首次直接观察到表层原子在反应前后由低配位数向高配位数迁移，并形成新晶面的规律。. 项目执行期间共发表SCI论文21篇；其中先进材料1篇、PRL 1篇、纳米尺度1篇、科学报道4篇、美国化学学会：应用材料与界面杂志1篇、化学通讯1篇、APL3篇。. 项目负责人王守国教授于2016年1月从中国科学院物理研究所调入北京科技大学，并获得2016年度杰出青年基金和2014年度基金委重点项目的资助，上述成绩的取得都离不开本项目的支持。