Interplay of Rashba effect and spin Hall effect in perpendicular Pt/Co/MgO magnetic multilayers

The interplay of the Rashba effect and the spin Hall effect originating from current induced spin–orbit coupling was investigated in the as-deposited and annealed Pt/Co/MgO stacks with perpendicular magnetic anisotropy. The above two effects were analyzed based on Hall measurements under external magnetic fields longitudinal and vertical to dc current,respectively. The coercive field as a function of dc current in vertical mode with only the Rashba effect involved decreases due to thermal annealing. Meanwhile, spin orbit torques calculated from Hall resistance with only the spin Hall effect involved in the longitudinal mode decrease in the annealed sample. The experimental results prove that the bottom Pt/Co interface rather than the Co/MgO top one plays a more critical role in both Rashba effect and spin Hall effect.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

基于深紫外激光-光发射电子显微技术的高分辨率磁畴成像

基于磁二色效应的光发射电子显微镜磁成像技术是研究薄膜磁畴结构的一种重要研究手段,具有空间分辨率高、可实时成像以及对表面信息敏感等优点.以全固态深紫外激光(波长为177.3 nm;能量为7.0 eV)为激发光源的光发射电子显微技术相比于传统的光发射电子显微镜磁成像技术(以同步辐射光源或汞灯为激发源),摆脱了大型同步辐射光源的限制;同时又解决了当前阈激发研究中由于激发光源能量低难以实现光电子直接激发的技术难题,在实验室条件下实现了高分辨磁成像.本文首先对最新搭建的深紫外激光-光发射电子显微镜系统做了简单介绍.然后结合超高真空分子束外延薄膜沉积技术,成功实现了L10-FePt垂直磁各向异性薄膜的磁畴观测,其空间分辨率高达43.2 nm,与利用X射线作为激发源的光发射电子显微镜磁成像技术处于同一量级,为后续开展高分辨磁成像提供了便利.最后,重点介绍了在该磁成像技术方面取得的一些最新研究成果:通过引入Cr的纳米"台阶",成功设计出FePt的(001)与(111)双取向外延薄膜;并在"台阶"区域使用线偏振态深紫外激光观测到了磁线二色衬度,其强度为圆二色衬度的4.6倍.上述研究结果表明:深紫外激光-光发射电子显微镜磁成像技术在磁性薄膜/多层膜体系磁畴观测方面具备了出色的分辨能力,通过超高真空系统与分子束外延薄膜制备系统相连接,可以实现高质量单晶外延薄膜制备、超高真空原位传输和高分辨磁畴成像三位一体的功能,为未来磁性薄膜材料的研究提供了重要手段.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

Non-volatile multi-state magnetic domain transformation in a Hall balance

High performance of the generation, stabilization and manipulation of magnetic skyrmions prompts the application of topological multilayers in spintronic devices. Skyrmions in synthetic antiferromagnets (SAF) have been considered as a promising alternative to overcome the limitations of ferromagnetic skyrmions, such as the skyrmion Hall effect and stray magnetic field. Here, by using the Lorentz transmission electron microscopy, the interconversion between the single domain, labyrinth domain and skyrmion state can be observed by the combined manipulation of electric current and magnetic field in a Hall balance (a SAF with the core structure of [Co/Pt]₄/NiO/[Co/Pt]₄ showing perpendicular magnetic anisotropy). Furthermore, high-density room temperature skyrmions can be stabilized at zero field while the external stimulus is removed and the skyrmion density is tunable. The generation and manipulation method of skyrmions in Hall balance in this study opens up a promising way to engineer SAF-skyrmion-based memory devices.     

磁性斯格明子的多场调控研究

斯格明子(skyrmion)的概念最早是由英国的粒子物理学家Tony Skyrme提出,它被用来描述粒子的一个状态,是一种拓扑孤立子.磁性斯格明子是一种具有拓扑行为的新型磁结构,其空间尺寸为纳米量级,空间距离从纳米到微米量级可调;其存在温度涵盖从低温、室温到高温的宽温区;其材料体系不仅包括早期发现的低温区B20型中心对称破缺的铁磁体和螺旋磁有序的弱铁磁材料,也包括近期发现的室温及以上的中心对称六角结构磁性MnNiGa金属合金和磁性薄膜/多层膜体系.利用磁性斯格明子的拓扑磁结构可以实现类似于自旋阀或者磁性隧道结中的自旋转移矩效应,即外加电流可以驱动斯格明子,其临界电流密度比传统翻转磁性多层膜体系中磁矩的电流密度(一般为10~7A/cm~2)要低5个数量级,约为10~2A/cm~2,该临界值远低于硅基半导体技术中沟道电流密度的上限,在未来的磁信息技术中具有广泛的应用前景.本综述简单介绍了磁性斯格明子的发展历程,归纳总结了磁性斯格明子的材料体系,介绍了观察磁性斯格明子的实验手段,重点介绍了多场(磁场、电流、温度场)调控作用下中心对称MnNiGa合金和Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为.     

霍尔天平材料的多场调控

霍尔天平材料中层间耦合作用易于调控,基于此可以实现多组态磁存储模式,其区别于当前基于自旋阀或者磁性隧道结的传统二组态磁存储原理.与此同时,还可以在存储单元中实现信息的逻辑运算从而提高器件整体的运算效率.这一设计有利于自旋电子学器件的微型化、集成化,有望从物理原理上解决当前基于自旋阀或者磁性隧道结的传统二组态自旋电子学材料器件的技术瓶颈,进一步提高磁存储密度,为推动新型自旋电子学材料的研究开辟了一条新的研究思路.首先,本综述将介绍基于霍尔天平材料的磁存储器件的研究背景;其次,重点介绍霍尔天平存储逻辑器件一体化设计的提出与发展历程;再次,介绍霍尔天平材料关键指标-霍尔电阻比值的界面调控及物理机理探索;随后详细阐述霍尔天平体系中磁性斯格明子的产生与多场调控等动态行为.最后,简单介绍霍尔天平结构在其他相关材料中的扩展、应用,并展望其在未来器件应用中的前景.