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北航集成电路学院在《Cell Reports Physical Science》期刊发表重要成果

发布日期:2021-11-12   点击量:

近日,太阳集团贵宾会赵巍胜教授团队在CellReports Physical Science期刊在线发表了题为“Large Dzyaloshinskii-Moriya interaction and room-temperature nanoscale skyrmions in CoFeB/MgO heterostructures”的学术论文。该工作报道了CoFeB/MgO异质结中大Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)以及室温下亚百纳米斯格明子的存在,为斯格明子材料体系的选择以及新型微纳电子器件的设计提供了新思路。

在后摩尔时代,具有非平庸拓扑的微纳自旋结构——斯格明子,被认为将可能成为下一代自旋电子器件的信息载体[1],为超高密度、超低功耗、超高速度信息存储和计算器件的研制开辟了新途径[2],是微电子领域备受关注的研究热点。

面对大规模应用,斯格明子的研究仍受困于可工业集成的全电学检测实现,而利用磁隧道结中隧穿磁阻变化来探测斯格明子有望解决这一问题[3]。因而,需要设计出可诱导斯格明子出现并且能应用于隧道结中的磁性薄膜结构。由于基于CoFeB/MgO结构的磁隧道结兼具垂直各向异性以及超高隧穿磁阻等优良特性[4,5],在这种异质结构中进行斯格明子相关的物理基础、材料参数依赖关系等研究具有重要意义[6]。

北航团队创新性地提出了Ir/CoFeB/MgO结构可作为新型斯格明子器件设计的材料平台(图1),并对诱导斯格明子出现的重要参数DMI进行了深入探索。通过第一性原理计算系统探究了X(重金属)/CoFeB结构中重金属元素以及界面原子配置对DMI的影响,为材料选择以及DMI调控奠定了理论基础(图2)。进一步实验研究发现,在具有垂直各向异性Ir/CoFeB/MgO异质结构中,通过缓冲层插入和热退火处理等方法改善界面质量后,DMI能量可达到1.13毫焦每平方米(图3),足以诱导手性磁结构的出现。最终,通过磁力显微镜测试,首次在Ir/CoFeB结构中观测到了室温下稳定的亚纳米斯格明子存在(图4)。

图1 实验生长的薄膜结构表征

图2 X/CoFe结构DMI的第一性原理计算结果

图3 布里渊光散射系统对DMI的表征测试结果

图4 室温下孤立斯格明子的观测

值得一提的是,北航智能微纳公共创新中心搭建的布里渊光散射测试系统在该研究中发挥了重要作用。该设备可对纳米磁性薄膜界面性质相关参数进行精确表征,如DMI强度等。

该研究克服疫情带来的不利影响,与德国MAINZ大学Mathias Kläui教授展开国际合作。我院博士生陈润泽、王馨苒、程厚义是论文的共同第一作者;我院讲师张学莹、彭守仲副教授、赵巍胜教授是该论文的共同通讯作者。该论文得到了国家自然科学金、北京市科技攻关等项目的支持。

期刊简介:Cell Reports Physical Science是Cell Press出版集团推出的高影响力综合期刊,旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学以及交叉学科领域中的重大研究进展。

文章原文链接:https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00336-2.

参考文献:

[1] Fert. A., Cros. V., and Sampaio J. (2013). Nat. Nanotechnol.8, 152.

[2] Li. S., Kang. W., Zhang. X., Nie. T., Zhou. Y., Wang. K. L., and Zhao. W. (2020). Mater. Horiz. 8, 854.

[3]Hanneken, C., Otte, F., Kubetzka, A., Dupe, B., Romming, N., von Bergmann, K., Wiesendanger, R., and Heinze, S. (2015). Electrical detection of magnetic skyrmions by tunnelling non-collinear magnetoresistance.Nat. Nanotechnol.10, 1039–1042.

[4] Guo, Z., Yin, J., Bai, Y., Zhu, D., Shi, K., Wang, G., Cao, K., and Zhao, W. (2021). Spintronics forenergy- efficient computing: An overview and

outlook. Proc. IEEE109, 1398–1417.

[5]Zhou, J., Zhou, H., Bournel, A., and Zhao, W. (2020). Large spin Hall effect and tunnelingmagnetoresistance in iridium-based magnetictunnel junctions. Sci. China Phys. Mech. Astron.63, 217511.

[6]Zhang, X., Cai, W., Zhang, X., Wang, Z., Li, Z.,Zhang, Y., Cao, K., Lei, N., Kang, W., Zhang, Y.,et al. (2018). Skyrmions in magnetic tunnel

junctions. ACS Appl. Mater. Interfaces10,16887–16892.

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