单晶 Fe3O4 磁畴壁存储器件中临界电流密度的研究

To overcome the disadvantages of the magnetic-field data writing, a so-called spin-transfer-torque (STT) writing technology has attracted great attention over the last few years. As a spin-dependent effect, the STT utilizes a spin-polarized current to alter the magnetization of a ferromagnet or to drive a domain wall motion, via transfer of angular momentum. One typical example of the STT applications is the current-induced domain wall motion (CIDWM) in single-layer magnetic nanostructures, where the magnetic domain wall is "de-pinned" and displaced by injecting current pulses. This demonstrates great potential for achieving fast, reproducible, and low-power data writing in nanoscale elements, in particular in the context of next-generation memory devices based on domain-wall propagation. To make a viable domain-wall memory (DWM) device, where the domain wall behave as a memory bit, one of the most important issues that need to be addressed is small threshold current density to drive the domain wall motion. According to the theoretical prediction, a reduction in the threshold current density may be realized when the current is highly polarized by utilizing magnetic materials with a high degree of spin polarization. From this aspect, magnetite (Fe3O4) is a good candidate, due to its high spin polarization of up to around 80% at room temperature, combined with a high Curie temperature and chemical stability at ambient condition, and of course a. Based on our previous successful experience in growing single-crystalFe3O4 thin films and in CIDWM, we propose, in this project, to investigate threshold current density in DWM devices tailored from such Fe3O4 thin films. In these single-crystal Fe3O4 nano-devices, where the magnetic domains are formed under the joint effect of shape- and intrinsic (magnetocrystalline) anisotropies of the films, we expect to obtain a relatively low threshold current density to drive the domain wall, by utilizing the high spin polarization of Fe3O4. On the other hand, by taking advantage of the in-plane uniaxial magnetic anisotropy displayed in our Fe3O4 thin films only (due to our unique growth process), we will be able to implant one more degree of freedom into controlling the domain formation in such Fe3O4 nano-devices. We believe that, if successful, our study will be a major step forward in next-generation data-storage technology.

为了克服传统的磁场写入技术的缺陷，自旋角动量转移（STT）写入技术近年来得到高度重视。利用STT效应，人们可以直接通过自旋极化电流来推动磁畴壁运动以达到信息的存储，大大降低了功率的损耗。因此，电流驱动畴壁位移 (CIDWM) 也成为新一代高速率高密度存储的重要方式之一。这类畴壁存储器件以磁畴壁作为存储单元，其性能一方面依赖于推动畴壁位移的临界电流密度的大小。理论研究表明，材料的自旋极化率越高，越有利于临界电流密度的降低。因此，在本项目中，我们将利用自身优势，致力于具有高度自旋极化率的单晶 Fe3O4磁畴壁存储器件中临界电流密度的研究，从实验角度来验证理论并探索降低临界电流密度的途径；而利用我们的单晶Fe3O4薄膜所独有的面内单轴磁各向异性来控制器件中的磁畴结构，也是本项目的另一个研究重点。期待我们的研究能够为推动数据存储技术从传统的"磁记录"向先进的"自旋存储"迈进贡献一份力量。

按项目的研究内容，采用分子束外延以及化学合成的生长方法，以磁性、铁磁共振、X射线磁圆二色（XMCD）等为主要研究手段，对半金属磁性氧化物Fe3O4为基的磁性氧化物纳米材料（如薄膜、纳米线、纳米颗粒链等）的磁性改性进行了较为系统的研究：（1）将6 nm厚的外延Fe3O4 薄膜刻蚀成纳米线，并发现纳米线中的磁各向异性仍以单轴各向异性为主，而Fe3O4材料的本征立方各向异性可被忽略。配合上Fe3O4的高自旋极化率，我们所生长的这种单晶Fe3O4 薄膜在降低磁畴壁存储器件临界电流密度的同时，也非常有利于简单磁畴结构的形成，克服了一般Fe3O4薄膜中由于复杂的各向异性会导致复杂磁畴结构的问题。（2）在Fe3O4/GaAs(100)外延超薄膜中，我们发现 Gilbert阻尼可随薄膜厚度的降低以及氧空位而增强，伴随着单轴各向异性的增强。利用XMCD配合第一性原理计算, 我们发现这种界面效应可能是由于界面处Fe与Ga或As离子之间的结合键变形所致。（3） 利用同步辐射光电子谱研究了C60与外延Fe3O4(001)之间的弱杂合界面的电子配位结构，观察到C60在磁性氧化物的不同离子态的吸附效应；C60给予的电子导致Fe3O4表面电荷的重新平衡，同时伴随传导性的增强，从而使铁氧体的半金属性得到有效保持。（4）在磁场辅助下成功的自组装了一系列准一维铁氧体颗粒链，并利用XMCD发现了链的阳离子分布随着辅助磁场变化而变化的直接证据。这表明辅助磁场不仅诱导了一维链的形成，还改变了铁氧体链的晶体化学结构。由于这些结构与磁性有着相当密切的关系，我们的工作对这种自组装颗粒链的磁性调控有重要指导意义。此外，钴、锌等掺杂也被用来调节链以及高织构 ZnxFe3-xO4 薄膜的磁性以适应各种器件的要求。（5）采用将不同的稀土纳米层插入 NiFe/Cu/FeCo自旋阀三层膜结构的方法，实现了对不同铁磁层阻尼因子的调控。并利用 XMCD进一步研究了阻尼因子增强的原因。该结果为调控自旋阀三明治结构的磁化动力学提供了一个有效的方法，对于提高高频自旋电子学器件尤其是双自由层自旋振荡器的性能有重要意义。利用低浓度掺杂稀土的方法也可得到类似结果。