物理系江萬軍課題組在稀土永磁材料的研究方面取得進(jìn)展(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2021-08-26

物理系江萬軍課題組在稀土永磁材料的自旋電子學(xué)研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究結(jié)果于2021年8月15日以“稀土永磁材料SmCo5的自旋軌道電子學(xué)應(yīng)用(Rare-Earth Permanent Magnet SmCo5for Chiral Interfacial Spin-Orbitronics)”為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。通過界面優(yōu)化以及納米薄膜制備技術(shù)，該研究在稀土永磁SmCo5薄膜材料中率先實現(xiàn)了磁垂直各向異性。在此基礎(chǔ)上，課題組研究了SmCo5薄膜材料中的自旋軌道力矩效應(yīng)，以及不同類型的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)。

 

在廣泛研究的重金屬/鐵磁膜中，自旋軌道力矩可以有效地操縱磁化強(qiáng)度，界面反演對稱破缺同時也可以衍生出磁斯格明子。這些基礎(chǔ)研究可以為未來自旋器件提供新思路，因而是當(dāng)下的研究熱點。盡管傳統(tǒng)磁性材料自旋電子學(xué)已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，探索具有優(yōu)異性能的新材料體系一直是本領(lǐng)域的研究前沿。SmCo5是一種稀土永磁材料，它具有強(qiáng)磁各向異性，被用作為高密度記錄介質(zhì)。若將其應(yīng)用在界面自旋電子器件，在提高自旋器件的熱穩(wěn)定性的同時，也能提高器件存儲密度。

 

通過界面工程，江萬軍課題組成功制備出了具有垂直各項異性的SmCo5薄膜，并利用重金屬Pt的自旋霍爾效應(yīng)，在Pt/SmCo5/Ta多層膜中觀察到了自旋軌道力矩誘導(dǎo)的垂直磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)，以及手性磁性相互作用。團(tuán)隊進(jìn)一步在[Pt/SmCo5/Ta]15多層膜中觀察到了直徑約100nm的室溫拓?fù)渌垢衩髯?skyrmion,拓?fù)鋽?shù)為1)，在[Pt/SmCo5/Ir]15多層膜中觀察到了圓環(huán)狀磁結(jié)構(gòu)(skyrmionium,拓?fù)鋽?shù)為0)。利用微磁學(xué)模擬，團(tuán)隊揭示了這些非共線磁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三維自旋分布。該研究工作表明，通過界面性能調(diào)控，稀土永磁材料SmCo5或?qū)⒊蔀橐粋€新的自旋軌道電子學(xué)研究平臺，為未來小型化的自旋軌道器件提供了一個新思路。

 

圖一：Pt/SmCo5/Ta三層膜的磁性以及自旋軌道力矩調(diào)控。(a)界面反演對稱破缺薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，(b)三層膜磁性隨SmCo5厚度的演化，表明Pt/SmCo5/Ta三層膜中的垂直各向異性與SmCo5厚度之間強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。(c) Pt/SmCo5/Ta三層膜中自旋流產(chǎn)生示意圖，(d)霍爾器件的光學(xué)圖片, (e)-(f)正負(fù)面內(nèi)磁場下，自旋軌道矩驅(qū)動磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)。

 

圖二：[Pt/SmCo5/N]15(N = Ta, W, Ir)多層膜的面外磁滯回線，相應(yīng)的多層膜中利用X射線磁元二色譜觀測的磁疇圖像，以及微磁學(xué)模擬驗證。X射線透射顯微鏡的測量以及微磁學(xué)模擬結(jié)果表明，在[Pt/SmCo5/Ta]15多層膜中能夠形成100納米級的斯格明子，在[Pt/SmCo5/W]15多層膜中能夠形成手性條紋疇，而在[Pt/SmCo5/Ir]15多層膜中能夠形成圓環(huán)狀的磁結(jié)構(gòu)(skyrmionium，拓?fù)鋽?shù)為0)。

該論文第一作者為清華大學(xué)博士后周恒安，來自國防科技大學(xué)的訪問博士研究生劉嘉豪為第二作者（等同貢獻(xiàn)），合作者包括美國伯克利國家實驗室先進(jìn)光源的Mi-Young Im博士，以及清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜院士，通訊作者為江萬軍副教授。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目(51788104)、國家重點研發(fā)計劃(2017YFA020620, 2016YFA03023000)、國家自然科學(xué)基金項目(11774194, 11804182, 1181101082, 51831005)、北京市自然科學(xué)基金(Z190009)、北京未來芯片中心(ICFC)、清華大學(xué)自主科研項目理科專項計劃、韓國國家研究基金會(2020R1C1C1006194)等的資助和支持。

 

文章鏈接如下：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202104426