基于霍尔自旋天平结构的新型自旋电子材料及物理机制研究

This project aims at the fundamental problems that will be encountered in realization of a brand new spintronic elements based on the extraordinary Hall balance （EHB）. The mechanism and the magnetic anisotropy in the multilayered structures with metal/insulator interface will be studied. Finally the EHB films with large four-level-output EHE signals, low coercivity, and high thermal stability will be developed.The Key scientific issues include: (1) How to tune the magnetic anisotropy of the EHB materials? (2) How to effectively enhance the extraordinary Hall effect in EHB? Moreover,we study how to realize the electric field assisted magnetization switching (VIMS) in EHB and reveal the relationship between interfacial microstructures, chemical states, and the corresponding physical properties.

本项目力图解决在实现新型以霍尔自旋天平材料为基础的自旋电子学元件所遇到的一些基础性的问题。深入理解霍尔自旋天平材料中反常霍尔效应和磁各向异性的机理，并建立相关模型；优化出可以实现高输出信号、低矫顽力、高热稳定性的霍尔自旋天平材料。拟解决的关键科学问题是：（1）如何调控霍尔自旋天平材料磁各向异性？（2）如何提高铁磁层的反常霍尔效应？界面散射如何作用于反常霍尔效应？霍尔自旋天平体系中内禀机制和外禀机制对反常霍尔效应的贡献？本项目还拟研究利用电场来辅助操控霍尔自旋天平结构中的磁矩方向，揭示界面微结构、原子化学状态与相应物理效应之间的关系。

本项目力图解决在实现新型以霍尔自旋天平材料为基础的自旋电子学元件所遇到的一些基础性的问题，深入理解霍尔自旋天平材料中反常霍尔效应和磁各向异性的机理，优化出可以实现高输出信号、低矫顽力、高热稳定性的霍尔自旋天平材料。主要研究的科学问题是：弄清如何调控霍尔自旋天平材料磁各向异性、以及如何提高铁磁层的反常霍尔效应，阐明其调控的物理机制。主要研究成果如下：（1）控制界面微结构提高霍尔自旋天平材料（自旋阀）的磁性和输运性能，本研究设计并制备了一种霍尔自旋天平材料，其三明治结构为Pt(0.6)/[Co(0.4)/ Pt(1)]3/Co(0.4)/Pt(0.3)/NiO(1.1)/Pt(0.3)/[Co(0.4)/Pt(0.8)]4 (in nm)，通过用CoO包覆三明治结构改为CoO(3)/[Pt(0.6)/Co(0.4)]4 /Pt(0.3)/NiO(1)/[Co(0.4)/Pt(0.6)]4 /CoO(3) (in nm)，成功地使得霍尔磁电阻值提高了302%。通过对NiO的厚度进行一系列的优化，使得[Co/Pt]3周期层之间的层间耦合作用逐步减弱，同时利用不同厚度的NiO与[Co/Pt]3周期层之间的界面耦合作用不同，使得每一个[Co/Pt]3周期层的矫顽力逐个等幅增加，在外场作用下多个[Co/Pt]3 周期层的磁矩逐个翻转。从而在该材料体系中实现基于反常霍尔效应的多组态—人工量子霍尔状态。（2）调控金属/氧化物界面化学状态提高垂直磁各向异性和相关输运性能。通过调控Co/ MgO、FePt/MgO和CoFeB/MgO界面化学状态，可以获得很好的垂直磁各向异性。（3）调控界面电子结构提高垂直磁各向异性和相关输运性能。在Ta/CoFeB/MgO /Ta多层膜中的CoFeB/MgO界面处引入极少量的Fe原子，改变界面处的电子结构，从而调控薄膜的磁各向异性。在项目执行期间共发表学术论文27篇。