物理系江萬軍課題組在稀土永磁材料的研究方面取得進展(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：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研究方面取得進展。相關研究結果于2021年8月15日以“稀土永磁材料SmCo5的自旋軌道電子學應用(Rare-Earth Permanent Magnet SmCo5for Chiral Interfacial Spin-Orbitronics)”為題發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。通過界面優化以及納米薄膜制備技術，該研究在稀土永磁SmCo5薄膜材料中率先實現了磁垂直各向異性。在此基礎上，課題組研究了SmCo5薄膜材料中的自旋軌道力矩效應，以及不同類型的拓撲自旋結構。

 

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。這些基礎研究可以為未來自旋器件提供新思路，因而是當下的研究熱點。盡管傳統磁性材料自旋電子學已經取得了較大進展，探索具有優異性能的新材料體系一直是本領域的研究前沿。SmCo5是一種稀土永磁材料，它具有強磁各向異性，被用作為高密度記錄介質。若將其應用在界面自旋電子器件，在提高自旋器件的熱穩定性的同時，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，在Pt/SmCo5/Ta多層膜中觀察到了自旋軌道力矩誘導的垂直磁化強度翻轉，以及手性磁性相互作用。團隊進一步在[Pt/SmCo5/Ta]15多層膜中觀察到了直徑約100nm的室溫拓撲斯格明子(skyrmion,拓撲數為1)，在[Pt/SmCo5/Ir]15多層膜中觀察到了圓環狀磁結構(skyrmionium,拓撲數為0)。利用微磁學模擬，團隊揭示了這些非共線磁結構內部的三維自旋分布。該研究工作表明，通過界面性能調控，稀土永磁材料SmCo5或將成為一個新的自旋軌道電子學研究平臺，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控。(a)界面反演對稱破缺薄膜的結構示意圖，(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厚度之間強烈的依賴關系。(c) Pt/SmCo5/Ta三層膜中自旋流產生示意圖，(d)霍爾器件的光學圖片, (e)-(f)正負面內磁場下，自旋軌道矩驅動磁化強度翻轉。

 

圖二：[Pt/SmCo5/N]15(N = Ta, W, Ir)多層膜的面外磁滯回線，相應的多層膜中利用X射線磁元二色譜觀測的磁疇圖像，以及微磁學模擬驗證。X射線透射顯微鏡的測量以及微磁學模擬結果表明，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狀的磁結構(skyrmionium，拓撲數為0)。

該論文第一作者為清華大學博士后周恒安，來自國防科技大學的訪問博士研究生劉嘉豪為第二作者（等同貢獻），合作者包括美國伯克利國家實驗室先進光源的Mi-Young Im博士，以及清華大學材料學院朱靜院士，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基金基礎科學中心項目(51788104)、國家重點研發計劃(2017YFA020620, 2016YFA03023000)、國家自然科學基金項目(11774194, 11804182, 1181101082, 51831005)、北京市自然科學基金(Z190009)、北京未來芯片中心(ICFC)、清華大學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