FeRh反铁磁-铁磁相转变机理与调控

The development of information technology requires the relevant memories with high density and low power consumption. Antiferromagnetic metals show advantages compared to their ferromagnetic counterparts: the absence of stray fields and rigidity to external magnetic perturbations, which are promising to be used in memories. However, the partial rotation of antiferromagnetic moments is generally driven by ferromagnetic switching, limiting the advantage of antiferromagnetic materials in memory devices. FeRh alloys are a typical antiferromagnetic material with antiferromagnetic-ferromagnetic transition above room temperature. The existence of phase transition provides a unique opportunity for all-antiferromagnet spintronics. Question arises that how to deign antiferromagnet spintronics without ferromagnetic layers on the basis of the understanding and effectively controlling of the antiferromagnetic-ferromagnetic transition. In this proposal, the transition behaviors in FeRh would be manipulated by preparation conditions, capping layers, electric-field effect and current, for which the origin of the manipulation would be carefully analyzed. Through building the correlation among the magneto-transport properties, magnetic domain variation, microstructure evolution and spin arrangement, we will systematically investigate the detailed transition process and the mechanisms responsible for the transition. Taking advantage of the prepared FeRh films, FeRh-based antiferromagnetic tunneling junctions, where no ferromagnetic material is included, would be designed and fabricated, which are expected to show large tunneling anisotropic magnetoresistance above room temperature. This study will provide scientific basis and technical reserves for spintronic devices with high density and low power consumption.

信息技术的进步要求存储器件朝高密度、低功耗和高速度方向发展。反铁磁金属相比铁磁材料，由于其没有铁磁残余场和对磁场扰动不敏感等诸多优势，在存储领域有广阔的应用前景。但是，反铁磁磁矩通常需要铁磁驱动翻转，难以体现其在器件应用方面的优点。FeRh合金是一类在室温以上具有反铁磁-铁磁相变点的反铁磁材料，相转变的存在为构造全反铁磁存储器提供了契机。因此，在深刻认识和有效调控FeRh相变点的基础上构造全反铁磁自旋器件具有重要价值。本项目拟通过工艺条件、覆盖层、电流和电场等手段调控FeRh相转变温度并掌握其变化规律；在深入分析磁电输运性能、磁畴形貌、微结构演化和磁矩排布之间内在联系的基础上，系统地阐明FeRh相转变的精细过程及其内秉机制；发展出基于FeRh相转变效应的全反铁磁隧道结器件，在室温以上获得显著的隧道各向异性磁电阻效应，为发展高密度和低功耗的信息存储器件提供科学数据与技术储备。

随着信息技术的快速发展，对研究具有高密度、低功耗和高速度特点的存储器件的要求越来越高。目前的磁存储技术主要基于铁磁材料，但存在铁磁残余场和对磁场扰动敏感等问题，而反铁磁材料可以克服这些问题，在存储领域有广阔的应用空间。但是，反铁磁磁矩难以调控，往往需要铁磁或者外磁场来驱动，难以展现其本征优势。反铁磁材料FeRh在室温以上具有反铁磁-铁磁相转变，这为构造全反铁磁存储器提供了机会。因此，在研究和调控FeRh相变的基础上制备全反铁磁自旋器件，并发展可广泛应用于反铁磁材料的研究理论具有重要价值。本研究组生长出高质量的FeRh薄膜，一方面利用电流实现了对FeRh薄膜相转变温度的可逆调控并操纵反铁磁和铁磁磁畴有序化分布，结合霍尔电阻测量和磁畴表征解析了FeRh相转变过程与机理，为科学认识和操控反铁磁材料提供了广阔的空间。另一方面通过自旋泵浦和第一性原理计算揭示了铁磁和反铁磁磁矩的相互作用及对能带结构的影响，最终基于此构筑了两种反铁磁性隧道结器件，在国际上首次实现了室温下20%的隧道各向异性磁电阻，有望推动反铁磁材料在高密度存储方面的应用。此外，本课题组建立了一套反铁磁自旋电子学材料与器件研发的理论与方法，在共线反铁磁氧化物NiO、共线反铁磁金属Mn2Au和人工反铁磁体系的自旋轨道力矩，非共线反铁磁外尔半金属Mn3Sn的反常霍尔效应、尺寸效应、自交换偏置现象、太赫兹光发射谱，以及反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4的量子反常霍尔效应等研究内容上取得系列研究成果，为发展高密度和低功耗的信息存储器件提供了科学数据与技术储备。在Nature Materials和Nature Communications等期刊发表有标注的论文42篇，国际会议邀请报告十余次。