垂直磁各向异性金属薄膜材料的磁电性能研究

本项目研究对象为适用于未来纳米逻辑或存储器件中、具有垂直磁各向异性的金属薄膜，例如(Co/Pt)n或(Co/Ni)n等等，以及用这种薄膜作为自由层所构筑出的"垂直自旋阀"和"垂直铁磁性隧道结"。首先通过材料设计手段，选择出合适的薄膜成分和结构；进一步实验研究磁畴结构、界面行为等等因素对垂直磁各向异性薄膜电和磁性能的影响；建立起这种薄膜材料性能和其电子结构之间的关系，进而制备出高性能的薄膜。利用这种薄膜作为自由层，制备出新型垂直自旋阀和垂直铁磁性隧道结，再通过控制微结构、界面自旋蓄积或界面自旋散射等手段有效提高垂直自旋阀和垂直铁磁性隧道结的磁性能和磁电阻效应。这种垂直自旋阀和垂直铁磁性隧道结将具备以下优势：1)磁翻转速度快，有利于在未来高频率微纳器件中的使用；2）由于具有单磁畴结构，磁翻转场与尺寸几乎无关，适合超高存储密度的需要。

国家自然科学基金重点项目“垂直磁各向异性金属薄膜材料的磁电性能研究”在执行期间（2009.1-2012.12）围绕研究计划书开展了高自旋极化率的垂直各向异性薄膜的结构和成分设计、垂直各向异性薄膜磁畴结构的研究及垂直各向异性薄膜中界面效应等方面的研究。实现了半金属Heusler合金薄膜材料的垂直磁各向异性；系统研究了CoFeB/MgO体系中垂直各向异性的来源并利用缓冲层进行了有效增强；制备出高稳定性Co/native oxide/Pt垂直各向异性多层膜；深入理解了IrMn/[Co/Pt]和IrMn/CoFe/[Co/Pt]多层膜中垂直磁各向异性与垂直交换偏置的物理机制；发现铁磁/反铁磁交换偏置体系中的反磁化不对称行为，并给出其物理起源；利用界面插层调控铁磁/反铁磁界面各向异性，改善其磁矩状态；利用界面Pt原子大幅度提高Ta/NiFe/Ta薄膜的各向异性磁电阻和热稳定性； 设计并制备了一种兼备隧穿磁电阻（超高磁灵敏）和各向异性磁电阻(对方位灵敏)优势的新型磁阻材料，并用于地磁导航系统中；发现纳米氧化层的界面散射可以有效地提高霍尔效应，基于这一效应，利用MgO有效地提高了Co/Pt多层膜中的反常霍尔效应及磁场灵敏度；在SiO2/Fe-Pt/SiO2三明治薄膜中观察到超高霍尔灵敏度；系统研究了退火对NiFe/MgO/Ag横向自旋阀中界面自旋极化率和界面电阻的影响；利用对磁性多层膜中90度交换耦合的调控，实现了高灵敏的线性自旋阀； 成功实现了金属横向平面自旋阀中巨大的自旋蓄积。. 项目执行期间，发表带标注号SCI/EI文章81篇，其中包括11篇Appl. Phys. Lett.，3篇Appl. Phys. Express 和2篇Phys. Rev. B；主办/承办1次国际学术会议和3次国内学术会议；在国际会议上做邀请报告3次，国内学术会议7次；获得12项发明专利授权，申请发明专利17项；出版专著2部；培养毕业博士研究生21名，硕士研究生32名；研究组成员徐晓光副教授2011年被评为“北京市科技新星”，2012年被评为“北京市优秀人才”；北科大研究组2011年12月获得“教育部长江学者创新团队”支持。