反铁磁金属的性能调控及其机理研究

With the development of information technology, spintronic devices with high storage density, low power consumption, and high write/read speed are strongly expected. The rigidity to external magnetic fields, the absence of stray fields and theoretically predicted strong spin transfer torque capability make antiferromagnetic metals, compared to their ferromagnetic counterpart, particularly favorable for information storage technology. Nevertheless the manipulation of antiferromagnetic moments remain challenging for its applications. In this proposal, we will manipulate the magnetic behavior of antiferromagnetic films and the magneto-transport properties of the corresponding spintronics by the means of magnetic methods (including magnetic fields and ferromagnetic materials), electric field, and electricity. The correlation between the basic properties of antiferromagnet and spin alignment, electronic structure will be carefully analyzed. The variation principle for the antiferromagnetic materials and concomitant devices under different magnetic and electrical fashion, as well as their mechanisms will be explored. We will try to make a breakthrough on the key technology for electric field and electricity control of antiferromagnetic moment, based on which the low power and high manipulation efficiency devices for electrical control of antiferromagnetism will be investigated.

随着信息技术的发展，人们对自旋电子学器件的高密度、低能耗和读写速度等方面提出了更高的要求。反铁磁金属材料相对传统的铁磁材料而言，由于其没有铁磁残余场，对磁场热扰动不敏感和理论预测的磁矩翻转电流密度低等诸多优势，在信息存储领域具有巨大的应用潜力。如何有效进行反铁磁磁矩的可控操作是反铁磁器件走向实际应用的关键科学问题。本项目拟通过磁（磁场和铁磁材料)、电场和电流等手段调控反铁磁金属薄膜的磁学行为和相关自旋电子学器件的磁电输运性能，深入分析反铁磁材料的基本性能与其自旋排列、电子结构之间的关系，掌握磁、电场和电流作用下反铁磁材料及相关器件性能的变化规律，并揭示调控机制；突破利用电场和电流调控反铁磁自旋结构的关键技术，发展出低能耗、高调控效率的电控反铁磁器件。

随着信息技术的发展，人们对自旋电子学器件的高密度、低能耗和读写速度等方面提出了更高的要求。反铁磁金属材料相对传统的铁磁材料而言，由于其没有铁磁残余场，对磁场热扰动不敏感和理论预测的磁矩翻转电流密度低等诸多优势，在信息存储领域具有巨大的应用潜力。如何有效进行反铁磁磁矩的可控操作是反铁磁器件走向实际应用的关键科学问题。本项目通过磁（磁场和铁磁材料)、电场和电流等手段调控反铁磁金属薄膜的磁学行为和相关自旋电子学器件的磁电输运性能，分析了反铁磁材料的基本性能与其自旋排列、电子结构之间的关系，采用离子液体作为门电极以及采用铁电氧化物作为基片进行反铁磁金属的电场调控，通过结构设计，制备了一系列基于FeRh相转变的隧道结器件，实现了磁和电场对于反铁磁金属的性能调控以及相应的室温隧道磁电阻，阐明了磁、电场和电流作用下反铁磁材料及相关器件性能的变化规律，揭示了反铁磁材料结构与性能调控机制；利用电流产生的自旋力矩对于反铁磁磁矩的翻转，获得了的室温自旋霍尔磁电阻，诠释了基片、应变对于反铁磁电流翻转行为的影响规律，阐明了应变调控反铁磁磁各向异性在磁矩翻转中起到的关键因素，掌握了在抗阻尼自旋力矩作用下反铁磁磁结构的转变规律。发展出数个低能耗、高调控效率的电控反铁磁原理型器件。项目执行期间已发表标注本项目编号的SCI 学术论文49篇，包括Nature Materials 1 篇、Nature Communications 1 篇、Physical Review Letters 1 篇、Progress in Materials Science 1 篇、Advanced Materials 1篇、Advanced Functional Materials 2 篇。在国际会议作学术报告9次，其中邀请报告5次。授权国家发明专利1项。项目负责人获得2018年何梁何利科学技术进步奖。