材料科学与工程学院侯仰龙团队构筑系列二维磁性纳米结构,助力超低功耗自旋电子学器件

【字体: 时间:2023年01月23日 来源:北京大学新闻网

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  课题组探索了二维磁性材料独特的自旋和磁畴结构。首次发现超薄Fe纳米薄片具有厚度和几何形状依赖的磁涡旋结构(Matter, 2022),并且通过洛伦兹透射电镜观察到外部磁场对磁畴结构的操纵。

  

北京大学材料科学与工程学院侯仰龙教授课题组致力于化学设计合成新型二维磁性材料,系统研究其生长机制及构效关系,深入开展磁性及相关物性调控研究,取得了系列重要进展。

二维磁性材料因其新奇独特的物性备受关注,在高密度信息存储、高速运算等领域具有重大应用价值。然而,目前的二维磁性材料大多磁转变温度低,制备难度大,缺乏有效的通用制备方法,极大地限制了其实际应用。此外,下一代自旋电子学器件也存在瓶颈,如自旋轨道力矩(spin-orbit torque,SOT)器件需要复杂的多层膜结构;自旋转移力矩(spin-transfer torque, STT)器件难以直接调制均匀磁化样品的磁性,较高的电流密度阈值增加了器件的功耗,这些挑战限制了下一代自旋电子学器件的研发与应用。因此,探索新型二维磁性材料简便可控的合成方法,发展高效率低功耗的磁调控方法,对开发二维磁性材料在信息技术等领域的应用具有重要的科学意义与研究价值。

侯仰龙课题组提出蓝宝石衬底台阶诱导外延生长二维楔形磁性EuS(J. Am. Chem. Soc., 2022),结合理论模拟和深入表征,系统地提出了取向生长和楔形生长的机理(图1)。低温磁力显微镜表征发现楔形EuS具有厚度依赖的磁性质,为二维稀土化合物和楔形化合物的合成提供了新思路。此外,课题组利用空间限域的化学气相沉积法获得了超薄的室温磁性Fe7Se8纳米片(Nano Lett., 2022),通过调节前驱体挥发温度和位置控制相比例,为其他非化学计量化合物的合成提供指导,二维高质量Fe7Se8纳米片的室温磁性和自旋重取向特性在下一代自旋电子学器件展现了巨大的应用前景。

针对低对称性二维磁性材料的研究,课题组发展了一种通用的温度振荡化学气相传输法生长具有面内强各向异性的反铁磁半导体FeOCl(Adv. Mater., 2022),还建立了一种独特的“与格外延”生长范式,打破了晶格匹配生长的限制,成功获得Cr5Te8/WSe2超晶格(Adv. Mater., 2022),这些研究为开发新型自旋电子器件奠定了重要的材料基础。

图1. 楔形EuS的生长及机制探究

在前期系列研究的基础上,课题组探索了二维磁性材料独特的自旋和磁畴结构。首次发现超薄Fe纳米薄片具有厚度和几何形状依赖的磁涡旋结构(Matter, 2022),并且通过洛伦兹透射电镜观察到外部磁场对磁畴结构的操纵。此外,研究人员在铁磁外尔半金属Co3Sn2S2中实现了电流直接高效地磁调控(Nat. Electron., 2022),研究团队首先利用改进的化学气相输运法在衬底上生长了高质量的Co3Sn2S2单晶纳米片。通过电学输运测量发现当注入超过某一阈值的直流电流时,Co3Sn2S2的矫顽场发生显著变化,仅需105—107Acm?2的电流密度就能将矫顽场从20.0kOe降低至0.1kOe。研究团队深入研究Co3Sn2S2的磁翻转机制,建立了电流辅助的畴壁运动模型,并且可以通过调控接触电极的几何形状进一步减小改变矫顽力的阈值电流以及改变正负电流的对称性。通过进行电流和外场依赖的畴壁迁移率测量,获得的STT效率与电流注入直接调制矫顽场的效率定量相符,从而证明了Co3Sn2S2在150K具有高达2.4—5.6kOeMA?1cm2的STT效率,是目前所有材料体系中最高的。实验发现在160K推动Co3Sn2S2磁畴壁的电流密度阈值在零外场下小于5.1×105Acm?2,在0.2kOe外场下小于1.5×105Acm?2,均是已知铁磁金属材料中最小的,兼具器件结构简单、高效率和低阈值等优点(图2)。这些发现结合了磁性、拓扑结构和金属性,为磁性外尔半金属应用于下一代自旋电子学器件提供了有力的实验和理论支持。

图2. 电流调控Co3Sn2S2器件的磁翻转

近日,相关论文以“Magnetism modulation in Co3Sn2S2 by current-assisted domain wall motion”(《Co3Sn2S2中通过电流辅助畴壁运动进行磁性调制》)为题在Nature Electronics上发表。侯仰龙、北京大学物理学院叶堉研究员以及中国科学院物理研究所刘恩克研究员担任通讯作者,北京大学物理学院2021届本科毕业生王秋原(现美国麻省理工学院博士研究生)、北京大学材料科学与工程学院2018级博士研究生曾怡为论文共同第一作者。

上述系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中德国际合作项目、磁性功能材料与器件北京市重点实验室等支持。

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