拓扑磁性薄膜研究

Due to the overwhelming features such as the nanometer size, topologically stable spin textures and ultralow electric current-driven behavior, topologically magnetic domains have the potential applications in next-generation magnetic information devices with high-density, high-speed and low energy consumption features. Here, we will explore the novel topological domains including magnetic skyrmions in the multilayers with different ferromagnetic core layers. The magnetization orientation in ferromagnetic layer will be controlled by engineering the anisotropy through the thickness of the ferromagnetic layer and by the spin-orbit interaction at the interface or by the magnetic competition between rare earth element and transitional metal in RE-TM alloy or by the magnetoelastic anisotropy and the electric field-driven interfacial interaction in magnetic insulator layer. The dependence of magnetic interactions and the generation mechanism of topological magnetic domains will be summarized based on this study and will be used to explore new multilayer system. Their dynamic behavior under the external fields (such as magnetic, electric and temperature field) will be studied by Lorentz transmission electron microscopy (L-TEM) to reveal the relationship with the macroscopic physical property from the perspective of microstructure. This will help to disclose the underlying physical mechanism and lay a foundation for the application of new information storage devices.

拓扑纳米磁畴结构具有尺寸小、畴结构稳定以及易于电流驱动等优势，在未来集高密度、高速度和低能耗等性能于一身的新一代磁信息存储器件中具有重要的应用前景。本项目拟在以不同铁磁层为核心的薄膜中，依靠铁磁层界面垂直各向异性与铁磁层厚度、铁磁层两侧材料种类以及界面相互作用之间的关联，依靠稀土过渡族合金层中稀土元素与过渡金属的磁竞争以及与重金属层之间的磁近邻效应，依靠绝缘磁性层中的由晶格失配产生的垂直磁各向异性以及电场对异质界面相互作用的影响，多种途径调控铁磁层磁矩自旋分布以期发现新型拓扑磁畴结构。明确各种磁相互作用的依赖关系以及拓扑磁畴的生成机制，并以此为基础，从微观角度研究拓扑磁畴在多场（如磁场、电场、温度场等）调控下的动力学行为，建立与磁性多层膜宏观物理性能之间关联，为新物理机制的揭示以及新型信息材料的设计和应用奠定基础。

拓扑纳米磁畴结构具有尺寸小、拓扑稳定以及低能耗电流驱动等优势，在未来高密度、高速度和低能耗的新一代磁信息存储器件中具有重要的应用前景。本项目拟在可以作为薄膜核心的不同磁性层中，依靠铁磁层界面磁垂直各向异性与铁磁层厚度、铁磁层两侧材料种类以及界面相互作用之间的关联，依靠稀土过渡族合金层中稀土元素与过渡金属的磁竞争以及与重金属层之间的磁近邻效应，依靠绝缘磁性层中的由晶格失配产生的垂直磁各向异性以及电场对异质界面相互作用的影响，多种途径调控磁性层磁矩自旋状态以期发现新型拓扑磁畴结构。明确各种磁相互作用的依赖关系以及拓扑磁畴的生成机制，并以此为基础，从微观角度研究拓扑磁畴在多场（如磁场、电场、温度场等）调控下的动力学行为，进一步建立与磁性多层膜宏观物理性能之间关联，为新物理机制的揭示以及新型信息材料的设计和应用奠定基础。目前项目已顺利完成并取得了系列重要成果，主要利用微纳加工和高分辨率磁畴表征与原位调控平台，在可作为核心磁性层的范德瓦尔斯二维铁磁材料FeGeTe、非晶亚铁磁GdFeCo薄膜、Pt/Co/Pt多层膜、稀土永磁、亚铁磁等多种磁性材料中研究了斯格明子等拓扑磁畴结构，澄清了不同材料体系中拓扑磁畴结构的生成和调控机制，首次实验发现并调控了新型磁畴壁麦纫和斯格明子，开辟了基于自旋重取向以及畴壁本征限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向，研究了拓扑磁畴结构在多场（如磁场、电场、温度场等）调控下的动力学行为，实现了铁磁、亚铁磁和人工反铁磁薄膜中零场稳定的高密度非易失斯格明子，不同种类拓扑磁畴结构的生成揭示了各种磁相互作用尤其是自旋重取向对拓扑磁畴生成的决定性影响机制，为其在自旋电子学中的应用奠定了实验和物理基础。项目负责人以第一/共一或通讯/共同通讯作者在《Advanced Materials》等期刊发表的致谢本项目编号的SCI论文共15篇，获得国家发明专利1件。项目执行期间获评研究员并获得中科院“青年促进会优秀会员”。