多場調控新型磁性功能薄膜材料、物理及器件原理研究

《多場調控新型磁性功能薄膜材料、物理及器件原理研究》是依託北京科技大學，由王守國擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：多場調控新型磁性功能薄膜材料、物理及器件原理研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：王守國
• 項目類別：重點項目

項目摘要

隨著磁信息存儲密度的進一步提高，自旋電子學器件核心單元的三維尺度已降低至納米量級，進一步提高其功效面臨諸如摩爾定律和超順磁極限等技術和物理極限的挑戰。本項目以終止層設計和界面修飾為主要技術手段；以獲得兼有高自旋極化率和大垂直各向異性材料為主要研究目標，並以此為基礎構建高性能自旋電子學原理型器件。項目圍繞終止層設計和界面修飾調控材料性能的物理機理這一主要科學問題，重點研究多場作用（如磁場、電場、溫度場、自旋極化電流、純自旋流）對材料及其器件功能的影響；採用洛倫茲透射電子顯微鏡和深紫外雷射光發射電子顯微鏡等手段研究材料在外場激勵下靜態顯微結構、磁化狀態以及動力學行為，建立巨觀物性與微結構之間的關聯，並力求從經驗層次提升到具有微觀基礎的新理論，為突破磁信息技術瓶頸提供材料、物理和器件原理基礎。

結題摘要

項目按計畫執行，研究進展順利，共發表論文67篇、專利9項（其中授權美國、日本專利各1項、授權中國發明專利6項、申請中國發明專利1項），圓滿完成各項任務。取得的主要成果包括：1、磁性斯格明子材料的多場調控研究，利用洛倫茲透射電鏡結合原位多場（磁場、電流、溫度等）發展了調控拓撲磁疇結構的方法，研究了多種磁性斯格明子結構的生成與調控。首次在零磁場下實現了非易失高密度MnNiGa斯格明子陣列，解決了過去斯格明子需要在磁場下才能穩定存在、而去掉磁場斯格明子就會消失的瓶頸問題。設計並製備了Pt/Co/Ta系列磁性多層膜，首次獲得了尺寸小於50納米的高密度斯格明子陣列。2、霍爾天平材料的調控研究，通過界面/表面修飾和調控方法，在[Co/Pt]4/NiO/[Co/Pt]4霍爾天平材料的界面處插入超薄CoO層來最佳化界面結構並調控體系的垂直磁各向異性，進一步降低霍爾天平材料處於反平行態時的霍爾電壓值，最終將霍爾電阻比值大幅度地提高到69,900%。3、磁性薄膜/多層膜的調控研究，澄清了鐵磁金屬單層薄膜中影響其各向異性磁電阻的多重因素，證明了使用特定的角度依賴磁電阻關係作為自旋霍爾磁電阻的判斷是必要但不充分條件；設計製備了具有高溫度穩定性、高垂直各向異性、低矯頑力的Mo/FeNiB/MgO薄膜和相關磁性隧道結，是對現有垂直CoFeB/MgO/CoFeB材料的重要補充。4、磁相變材料的探索和調控研究，研究了MnCoGe(Fe)在高溫分級淬火和低溫循環時效下相變的演變行為，發現了不同分級淬火帶來不同數量的熱空位可以不同程度地降低相變溫度，而低溫循環時效可以釋放熱空位使得體系的相變溫度回到高溫；在Ni-Mn-Ti馬氏體中引入磁性元素Fe，在降低相變溫度的同時建立了母相的鐵磁耦合，得到了Ni-Mn-Ti(Fe)磁結構相變體系。5、深紫外雷射光發射電子顯微術研究，在以深紫外雷射為激發源的光發射電子顯微鏡系統上成功地觀察到L10-FePt薄膜磁成像，解析度高達43納米，與採用同步輻射光源作為激發源的磁成像解析度處於同一量級，率先實驗室條件下（不依賴於同步輻射大型裝置）實現解析度優於50納米的高分辨磁成像。