超低功耗铁磁绝缘基自旋波逻辑器件的基础研究

Magnon spintronics is a research field in nanoscience exploring spin waves, i.e. magnons, to transmit and process information. The use of magnons allows the implementation of novel wave-based computing technologies free from the drawbacks inherent to modern electronics, such as dissipation of energy due to Ohmic losses. Low damping Yttrium Iron Garnet (YIG) monocrystalline thin film with ~100 nm thickness will be fabricated by optimized Liquid Phase Epitaxy (LPE) methods, and then constructed YIG based heterostructure in this proposal. Through the interface effect and spin-orbit coupling effect, the spin wave excitation and controllable transmission can be realized in the heterostructure. The proposal will solve the controlled growth of YIG thin films, clarify the damping mechanism of the heterostrucutre, grasp the methods to modulate the transmission of spin wave in the heterostrucutre by spin-orbital torque and DMI interaction in the interface. In the end, the proposal will investigate the modelling and design of spin-wave base logic devices. All these study will lay the foundation for the development and application of magnon spintronics.

自旋波电子学是利用自旋波（磁振子）进行信息处理的科学。自旋波电子学可以实现完全基于绝缘体的计算系统，从而避免欧姆热的产生，克服了CMOS器件耗能大的缺点。项目首先采用优化的液相外延法制备厚度为～100纳米的低阻尼系数钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜，然后构筑以YIG为基的异质结构，通过异质结构中的界面效应以及自旋-轨道耦合效应实现自旋波的激发与可控传输。项目将解决异质结材料的可控生长；厘清异质结材料的阻尼机制；掌握自旋轨道转矩、界面DMI交互作用等效应调控异质结自旋波波导的传输特性的机理与方法；在此基础上实现自旋波逻辑器件的建模与设计，为自旋波电子学的发展与应用奠定材料与器件设计基础。

项目以极低阻尼系数钇铁石榴石（YIG）超薄单晶薄膜材料，以及基于YIG的异质结中自旋波的激发与可控传输为研究核心，严格按照任务书要求，完成各项研究任务。.采用液相外延（LPE）和脉冲激光沉（PLD）等制备技术，在单晶GGG基片沉积外延单晶YIG薄膜，基于YIG薄膜成分的配方优化，并进一步利用界面应变缓冲层、扩散阻挡层、形核种子层等调控YIG薄膜晶体结构和磁各向异性，大幅度降低YIG薄膜的磁阻尼因子。在此基础上，构建重金属/YIG、全绝缘体石榴石薄膜等自旋波异质结，优化制备工艺参数，深入研究了界面微观结构和化学成分等对异质结的晶体质量与电子结构等特性的影响，以及YIG基异质结中的新效应。基于微磁学模拟工具并结合微纳工艺，提出了包括移相器、方向耦合器与自偏置波导等在内的自旋波逻辑门器件的关键部件的设计方案，并详细研究了各器件的运行规律。通过研究，项目取得的如下主要研究成果：.1、优化材料配方与制备工艺，实现了百纳米级厚度钇铁石榴石（YIG）单晶薄膜的液相外延可控生长，磁阻尼因子为1.7×10-4；.2、基于YIG/铂基异质结，优化得到的Pt1-x（TiO2）x复合薄膜的自旋霍尔角比纯铂薄膜的自旋霍尔角提高了一个数量级，阐释了其增强机制。.3、基于交换-弹性（exchange-spring）耦合作用，提出了一种软磁/硬磁结构的自偏置自旋波波导。.4、基于自旋-轨道矩效应，提出了自旋波逻辑门的关键部件（自旋波移相器和定向耦合器）的设计方案，完成了自旋波逻辑门的设计。.在项目执行期间，共发表50篇论文，其中包括Advanced Functional Materials、Advanced Science、Physical Review B和Applied Physical Letter等国际期刊的SCI论文48篇，论文他引300余次；专著1部（《微波磁性器件基础》，科学出版社，2020年）；培养获得学位的博士研究生2人、硕士研究生11人；申请中国发明专利22项，其中授权15项。项目的研究推动了我国自旋波电子学新材料的研发和工艺改进，揭示新型异质结中的自旋波激发、探测及传输调制新效应，实现了从材料、效应到器件的一体化研究。