铁电材料对FePt薄膜垂直磁各向异性调控机理的研究

FePt alloy became a hot pursued media material in recent years due to its high perpendicular magnetic anisotropy. It can maintain strong magnetic anisotropy even in nano scale, which makes it a promising magnetic recording media for the next generation ultrahigh density magnetic storage. However, FePt has a large coercivity, which needs a large writing field and brings thermal effect blocking its application. It was reported that the perpendicular magnetic anisotropic strength depends on the lattice parameter linearly. According to the phenomena, we are planning to study on the mechanism of perpendicular magnetic anisotropy controlled by ferroelectric materials both experimentally and theoretically under the supporting of the National Natural Science Foundation of China. By using the lattice parameter changes of ferroelectric materials under electric field, strain will be applied on the FePt films, which induces its corresponding lattice parameter changes. Therefore, it is possible to control the reversible changes of perpendicular magnetic anisotropic strength to reduce the perpendicular writing field. The research can help to realize the application of FePt as perpendicular magnetic storage media.

FePt合金薄膜具有高的垂直磁各向异性，可以带来高热稳定性，从而克服超顺磁效应的影响，因此有希望成为下一代垂直磁存储介质材料。然而，FePt薄膜的矫顽力很大，需要非常强的外加磁场才能改变其磁化取向，即写入磁场过高，这严重阻碍了其实际应用。研究表明，FePt薄膜的磁各向异性强度随晶格尺寸的变化呈单调变化。基于这一特性，我们期望在本基金的支持下，采用理论与实验研究的方法，利用铁电材料在电场作用下的晶格常数变化对垂直磁各向异性的FePt薄膜施加应力，诱导其晶格常数的改变，从而实现电场调控下FePt薄膜的磁各向异性强度的可逆变化。通过本项目的研究，可以大幅度减小FePt薄膜的垂直写入磁场强度，使其满足垂直磁存储介质材料的要求。

电场调控磁性是近几年自旋电子学领域的研究热点之一。由铁电薄膜和铁磁薄膜组成的磁电异质结被认为是一个可以被广泛利用的体系。我们在本项目的研究主要包括利用电场来改变薄膜的磁矩和磁各向异性、以及铁电或多铁材料中电压调控交换偏置和各向异性等方面。本项目研究工作集中在铁电材料与垂直磁各向异性薄膜的相互作用等领域，首先针对铁电薄膜对FePt垂直磁各向异性的调控及其物理机制进行了系统的研究；进而在铁磁/多铁/铁电异质结中发现了以应力为媒介的电场调控交换偏置行为；在多铁双层薄膜中实现了电场调控的极大、非易失磁电耦合效应；在柔质基底上生长出自旋阀结构，利用应变有效调控了自旋阀的磁电阻效应。另外，我们还针对基于垂直各向异性薄膜的自旋霍尔、自旋轨道矩（SOT）等效应进行了研究。利用Co2FeAl或Co插层，有效调制了Mn1.5Ga/Ta中的SOT效应及其诱导磁化翻转所需临界电流密度；利用IrMn薄膜的反铁磁性，在Mn1.5Ga/IrMn中实现了无外磁场下的SOT诱导磁化翻转，其物理机制在于IrMn既具有强烈的自旋霍尔效应，又能产生面内交换偏置；在多铁性反铁磁Cr2O3/W结构中观测到SMR效应。研究成果既有利于加深理解垂直磁各向异性薄膜材料中的基本物理问题，也为实现未来低能耗、高频率的新型磁电子器件提供理论依据和材料支撑。项目期间发表SCI论文42篇，其中影响因子3.0以上期刊文章20篇。申请中国发明专利5项，获授权发明专利2项。

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