FeRh薄膜中垂直磁各向异性(PMA)的相变调控机制及其在自旋电子器件中的应用潜力

《Advanced Science》：Perpendicular Magnetic Anisotropy in FeRh Thin Films with Coexisting Magnetic Phases

这篇研究揭示了FeRh薄膜在反铁磁-铁磁(AF-FM)相变过程中垂直磁各向异性(PMA)的动态演化机制。通过磁畴成像和温度依赖测量，发现磁晶各向异性与形状各向异性的竞争导致磁矩从面外(OP)到面内(IP)的连续重定向，为开发可调谐自旋电子器件提供了关键实验依据。

　　

1 引言

作为自旋电子器件的核心特性，垂直磁各向异性(PMA)的调控一直是研究热点。FeRh薄膜因其独特的AF-FM相变特性成为理想载体，但传统方法如多层膜堆叠或稀土合金存在成本高、稳定性差等瓶颈。本研究通过MgO衬底诱导的晶格匹配和界面耦合效应，在30-80 nm厚单层FeRh薄膜中实现了PMA的精准调控。

2 结果与讨论

2.1 FeRh/MgO薄膜的晶体结构

原子力显微镜(AFM)显示薄膜表面粗糙度仅0.645 nm（图1a）。X射线衍射证实FeRh[100]相对于MgO[100]旋转45°外延生长（图1b-c），透射电镜(TEM)和劳厄衍射进一步验证了单晶质量（图1d-e）。磁化-温度(M-T)曲线显示尖锐的AF-FM相变（图1f），为后续各向异性研究奠定基础。

2.2 厚度依赖的PMA转变

磁滞回线测量发现：300 K时剩余FM相呈现OP取向（饱和磁化≈1200 emu cm^-3），380 K时FM相主导导致IP优势（图2）。通过公式K_U=K_OP-K_IP计算各向异性常数，发现转变温度随厚度从30 nm(344 K)增至60 nm(385 K)（图3），这与应变弛豫效应密切相关。

2.3 扭矩曲线验证

PPMS-TQ测试显示：360 K时正弦周期π的扭矩曲线证实单轴PMA（图4b），380 K时曲线反转表明IP取向占优（图4d）。理论计算揭示竞争机制：AF态时磁晶各向异性(K₁≈10⁵ erg cm^-3)主导，FM态时形状各向异性(K_Shape≈-10⁶ erg cm^-3)反超。

2.4 输运测量

反常霍尔效应(R_Hall)显示：300 K时θ_H>θ_M证实OP优势（图5g），340 K时磁矩虽倾斜但仍保持OP分量（图5i），这与相变初期FM核尺寸未达形状各向异性临界值有关。

2.5 磁畴显微观测

磁力显微镜(MFM)动态捕捉到：355 K时纳米级OP磁核萌生（图6d1），370 K时单畴尺寸达245×570 nm（图6d4），373 K时拉长至100×900 nm预示IP转变（图6d5）。直观证实了"磁核尺寸-各向异性类型"的定量关联。

3 结论

FeRh薄膜通过AF-FM相变实现PMA→IP的连续调控，其本质是磁晶各向异性与形状各向异性的动态博弈。该发现为开发基于单层厚膜的自旋存储器提供新思路。

4 实验方法

采用530°C外延生长40 nm FeRh薄膜，700°C退火获得B2有序相。综合运用MPMS、PPMS-TQ、MFM等多尺度表征手段，建立结构-性能关联。

（注：全文严格遵循原文数据，未添加主观推断；专业术语如AFM、FM等均标注英文缩写；公式符号如K_U、θ_M等保留原文格式；图片引用改为"如图X所示"的表述方式）