电场驱动离子注入磁性金属薄膜及其调控薄膜磁性的研究

The information writing method through electric field control magnetism with low power consumption is the development trend of the new generation of magnetic information storage technology. Ion transport is used to control the magnetic properties of materials by driving ionic migration with electric field. The technology requirements of device fabrication are not difficult, and the miniaturization of devices can be realized. At present, the research of electric field driving ion implantation to control the magnetism of materials is also a preliminary exploration stage. It is very important to clarify the basic process of electric field driving ion migration, and elucidates the mechanism of ion implantation to control the magnetic properties. In this project, the applicant intends to study the process of electric field driven ion migration and the regulation and internal mechanism of the injection ion on the magnetic properties of the metal films. An electric field is applied in the nanoscale by scanning probe to drive lithium ion and oxygen ion transport in metallic materials to study the migration process of different inon; using scanning probe and transmission electron microscopy in situ characterization of material magnetic and conductive domains, combined with the method of macro magnetic measurement, study on relationship between ion implantation of metal films and its magnetic properties (including magnetic moment, coercivity, magnetic anisotropy, magnetic domain structure etc). The results are of great guiding significance for the exploration of the new method of regulating the magnetic properties of metal films by electric field.

具有低功耗的电控磁写入模式是新一代磁信息存储技术的发展趋势。基于离子输运的电控磁方法通过施加电场驱动离子迁移来控制材料的磁性，对器件制备的工艺要求不高，并且可以实现器件的小型化，最近引起了大家的广泛关注。目前，电场驱动离子注入调控材料磁性的研究还处于初步探索阶段，澄清电场驱动离子迁移的基本过程，阐明注入离子调控金属材料磁性的微观机制具有重要的意义。在本项目中，申请人拟研究电场驱动离子迁移的过程以及注入离子对金属薄膜磁性的调控规律和内在机制。利用扫描探针在纳米尺度下施加电场驱动锂离子或氧离子迁移，研究不同离子在金属材料中迁移在基本过程；利用扫描探针和透射电镜原位同步表征材料磁畴-电畴关联规律，结合宏观磁测量的方法，研究注入离子对金属薄膜磁性（包括磁矩、矫顽力、磁各向异性、磁畴结构等）的调控规律及其物理机制。研究结果对探索电场调控金属薄膜磁性的新方法具有重要的指导意义。

电场非易失性调控磁化方向在新型存储器领域具有广阔的应用前景。目前，已经利用电场作用下的场效应、极化翻转、逆压电效应等过程与磁性的耦合作用，在一些磁性材料，如稀磁半导体、超薄铁磁金属薄膜以及多铁材料，实现了电场对材料磁性相关参数的调控。最近，一种新兴的基于电场驱动离子输运调控材料磁结构的方法，由于调控效率高且具有非易失性的特点，引起了大家的广泛关注。在本项目的资助下，申请人利用微观表征手段C-AFM和MFM联合表征技术，研究了纳米尺度下电场驱动离子输运对材料磁性的影响规律。在Pt/Co/GdOx薄膜中，发现纳米尺度O2-的迁移可以实现磁各向异性垂直方向与面内方向之间的转换。为了提高磁性调控效率，申请人选择离子半径更小的Li+作为注入离子，构建了以CoFeB作为磁性电极的锂离子电池结构。发现Li+在CoFeB薄膜中的嵌入和脱嵌会引起CoFeB薄膜磁畴相位衬度的增强/减弱，以及磁畴衬度的出现/消失，即Li+的嵌入/脱嵌可以实现对CoFeB薄膜饱和磁化强度及磁各向异性的可逆调控。进一步研究了电场驱动Li+注入对Co/Co3O4异质结中交换偏置效应的调控作用。电场驱动Li+注入对Co3O4薄膜的反铁磁磁有序度的调控导致了Co/Co3O4异质结中交换偏置效应的可逆和非易失性调控，并且在300 次的循环后调控还能保持很好的稳定性。纳米尺度下利用电场驱动离子输运，原位观察磁畴的变化，从微观角度研究离子输运对磁性的影响。研究结果对进一步理解磁性调控机理，优化存储器件结构设计有着十分重要的意义。