磁性隧道结磁化动力学行为的电镜原位研究

Magnetic tunnel junctions (MTJs) with tunnel magneto-resistance effect (TMR) have become one of the hottest research topics in condensed matter physics, information industry and material science for more than twenty years. However, their further miniaturization in the information industry recently remains stagnant, including in their important applications of the read-heads of hard-disk drivers (HDDs) and magnetoresistive random access memories (MRAMs). One of the main reasons is that the real behaviors of the magnetization dynamics in MTJs at the nanoscale is not fully clear so far. This project is aimed to kick-start a research of nanoscale observation of dynamical magnetization reversal mechanism and magnetoelectric coupling in MTJs. Size- and shape-controlled nano-MTJs will be prepared by means of a jointed methods involved to high-vacuum sputtering, pulsed laser deposition and focused ion beam etching techniques, which lead to achieve a high-quality and fully controllable preparation of various architectures of nanoscale MTJs. Their intrinsic and technical magnetic properties will be tested, which includes a deep investigation of the relationships of their atomic magnetic moments vs. temperature and atomic magnetic moments vs. external field. The physical mechanisms and principles how the dynamical magnetization, magnetic, and magneto-transparent behaviors of individual nano-MTJs are influenced by their sizes, shapes, edge defects, oxide layer defects, and the proximity effects of electricity and magnetic field leakages will be studied at the nanoscale and atomic scale by using an advanced Cs-corrected transmission electron microscopy platform equipped with Lorentz lens, electron holography, Gatan image filter system, Gatan K2-In situ ultrafast image capture system and electrical-magnetizing TEM holders, which directly provide a simultaneous and dynamic view of the magnetization reversal processes, domain wall structures and magnetic fluxes of nano-MTJs. This project is believed to helpfully resolve the obstacles of the cell to cell variability and too high writing current critical density, which is significant to strengthen their technology maturity.

磁性隧道结在近二十年来一直都是凝聚态物理、信息工业和材料科学领域最火热的研究焦点之一，然而在其进一步微型化的工业应用过程中碰到了停滞不前的困境。其中一个主要原因是，目前对纳米尺度下的磁性隧道结实际发生的磁化动力学关键过程缺乏直观、准确的了解。本项目拟通过高真空溅射、脉冲激光沉积法结合聚焦离子束电镜刻蚀技术制备不同尺度、结构的纳米自旋转矩磁性隧道结，借助洛伦兹（球差）透射电镜/电子全息技术和超高速图像采集系统，通过原位加载磁场、电场的作用，实时观测纳米磁性隧道结单个和多个阵列单元的自旋极化电流诱导下磁化反转的动态变化过程，系统研究边缘缺陷、绝缘层质量和漏电漏磁近邻干扰对磁性隧道结磁化反转机制和自旋输运机制的影响，在纳米甚至原子尺度上掌握磁性隧道结磁畴结构、磁力线分布变化规律以及磁电互相调控机制，为解决磁性隧道结微型化中各单元同一性差、写入临界电流密度过高等主要难题提供技术支持和理论依据。

磁性隧道结在近二十年来一直都是凝聚态物理、信息工业和材料科学领域最火热的研究焦点之一，然而在其进一步微型化的工业应用过程中碰到了停滞不前的困境。其中一个主要原因是，目前对纳米尺度下的磁性隧道结实际发生的磁化动力学关键过程缺乏直观、准确的了解。本项目拟通过高真空溅射、脉冲激光沉积法结合聚焦离子束电镜刻蚀技术制备不同尺度、结构的纳米自旋转矩磁性隧道结，借助洛伦兹（球差）透射电镜/电子全息技术和超高速图像采集系统，通过原位加载磁场、电场的作用，实时观测纳米磁性隧道结单个和多个阵列单元的自旋极化电流诱导下磁化反转的动态变化过程，系统研究边缘缺陷、绝缘层质量和漏电漏磁近邻干扰对磁性隧道结磁化反转机制和自旋输运机制的影响，在纳米甚至原子尺度上掌握磁性隧道结磁畴结构、磁力线分布变化规律以及磁电互相调控机制。项目按计划结合真空溅射和聚焦离子束电镜刻蚀技术制备出了几种不同尺度、结构的纳米自旋转矩磁性隧道结理想模型样品，掌握它们的制备工艺，特别是开发出了特殊适合电镜原位研究单个或者多个阵列式磁性隧道结的电镜原位芯片，为进一步进入磁性拓扑结构自旋电子器件研究奠定了基础；在球差电镜和高分辨率电镜洛伦兹模式下，以自我研发的磁电多场耦合原位样品杆为技术手段，结合电子全息技术和超高速图像采集系统，研究了制备的理想模型单个和多个阵列式磁性隧道结磁性在自旋极化电流诱导下的磁化反转动力学过程，直观、系统地研究了边缘缺陷、绝缘层质量和漏电漏磁近邻干扰对磁性隧道结磁化反转机制和自旋输运机制的影响，探索、阐明了磁性隧道结在纳米下的磁畴结构、磁力线分布变化规律以及磁电互相调控机制。在项目执行过程中较为严格地按照研究计划开展了研究工作，基本上完成了全部项目计划，并在Adv. Mater.、Acta Mater.、JACS等国际重要期刊上发表了SCI论文28篇，其中一区20篇（含顶刊7篇），二区论文6篇，中文核心期刊2篇，会议论文20余篇，获批专利6项，获邀做国内外学术会议特邀报告、学术访问邀请报告40次。项目研究成果实现了在纳米甚尺度上直观、实时、动态地认识和揭示磁性隧道结磁畴结构、磁力线分布变化规律以及磁电互相调控机制的磁化动力学和磁电耦合调控机理，为磁性隧道结进一步用于更广泛的自旋电子学器件的开发和应用提供了依据。