基于斯格明子薄膜的磁性隧道结制备及器件原理研究

A new type of magnetic materials called skyrmions, with special topological spin structures and low critical switching current, exhibits abundant physical phenomina and great potential applications in spintronic devices. This project is based on the magentic films with skyrmion spin structure (called skyrmion films) and on the novel magnetic tunnel junctions composed of skyrmion films. The research mainly inculdes the structures and physical properties, such as crystal structures, spin structures, spin dependent transport property, and critical switching current. The focus will be given to the magnetic tunnel junctions based on the skyrmion films, including the optimization of juncion fabrication, in order to increase the magnetoresistance ratio and some related magneto-electric properties. The effect of skyrmion structures,interfacial structures in multilayered system, and the barrier on the spin dependent transport properties will be investigated, including the MR ratio as a function of temperature and bias voltage. The main aim is to explore the methods to fabricate the magnetic tunnel junctions based on the skyrmion films together with barrier of amorphous AlOx and single-crystal MgO layer, with a focus on the deposition of skyrmion films and on the optimization of junctions. The key challenges is to solve some critical materials and physical issues of film depostion, observation of spin structures, transport properties, and to solve some problems for the future applications of skyrmion films and the related spintronic devices, such as materials design, optimization, and device principles.

磁性斯格明子是一类新型磁性材料，因其特殊的拓扑自旋结构和较低的临界翻转电流密度，展现出丰富的物理内涵和广阔的应用前景。本项目以磁性斯格明子薄膜和由此构成的磁性隧道结为研究对象，研究磁性斯格明子薄膜的结构和物性，主要包括自旋结构、自旋相关输运特性、临界翻转电流密度等。重点研究以斯格明子薄膜为基础的磁性隧道结，探索以斯格明子薄膜为铁磁电极、以非晶AlOx和单晶/准单晶MgO为势垒构建新型磁性隧道结的方法，优化高质量隧道结的制备工艺以提高磁电阻比值和改善相关的磁电性能；研究薄膜晶体结构、多层膜界面结构以及势垒层对自旋相关输运性质的影响，包括其磁电阻比值对温度、偏压的依赖关系等。本项目以磁性斯格明子薄膜材料的制备和新型磁性隧道结的优化为核心研究内容，重点解决斯格明子薄膜在材料制备、自旋结构观察、物性研究等方面的材料和物理问题，以及新型磁性隧道结在结构设计、材料优化和器件原理上的关键技术问题。

在基金委面上项目：基于斯格明子薄膜的磁性隧道结制备及器件原理研究（批准号：51471183，执行时间：2015年1月-2018年12月）的资助下，项目负责人及其研究团队以磁性斯格明子材料为主要研究对象，开展了磁性斯格明子的制备与多场调控、垂直磁性隧道结及磁性纳米材料方面的研究。所取得主要成果包括：1）在磁性斯格明子方面，以化学键调控和电子结构匹配为设计原理，首次在具有中心对称结构金属间化合物MnNiGa中开发出具有宽温域室温磁斯格明子拓扑磁畴结构的材料体系，突破了原来材料工作温度偏低和形成斯格明子温区较窄的挑战，不仅有利于磁性斯格明子的实际应用，而且对新型磁性斯格明子材料的探索具有重要指导意义。研究了Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中室温磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为，为大规模应用奠定了材料和物理基础。2）在垂直磁性薄膜及磁性隧道结方面，利用分子束外延制备技术，成功制备出上下铁磁电极均具有垂直各向异性的L10-FePt/MgO/L10-FePt垂直隧道结，获得了室温21%的磁电阻比值；并给出了实验值远低于理论值的物理机理。3）在磁性纳米材料方面，成功制备出催化和磁性可调的一维空心FePt纳米球链以及能够同时催化质子交换膜燃料电池阴极和阳极反应的NiPt八面体结构纳米材料，揭示了该类磁性纳米材料具有良好性能的微结构机制，将可以指导同类材料的设计和微结构调控。. 本项目执行期间共发表SCI论文15篇、授权专利1项；主要包括《物理学报》综述文章1篇、应用物理快报1篇、纳米尺度2篇、美国化学学会：应用材料与界面杂志1篇、应用表面科学2篇、应用物理杂志1篇、合金与化合物杂志1篇、先进材料1篇、纳米快报1篇，圆满完成了各项研究目标。. 项目负责人王守国教授于2016年1月从中科院物理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。