本网讯（材料科学与工程学院）近期，王守国教授团队在反铁磁多层膜全电调控及二维磁性材料动力学领域再获系列进展，相关成果分别以“外延应力下超薄反铁磁多层膜中垂直交换偏置的全电学调控”和“范德瓦尔斯铁磁材料Fe3GeTe2中的电流诱导磁畴壁移动”为题，在国际顶级期刊《自然通讯》上发表两篇高水平论文。安徽大学材料与工程学院博士后祁杰为第一篇论文的第一作者，王守国教授和中国科学院物理研究所赵云驰博士为通讯作者，安徽大学为第一通讯单位。安徽大学材料科学与工程学院马天平教授为第二篇论文的共同第一作者、共同通讯作者，王守国教授和周仕明教授也参与了本项工作。
交换偏置效应起源于铁磁/反铁磁界面处的交换相互作用，体现为磁滞回线沿外磁场方向的偏移，其在具有垂直磁各向异性的多层膜体系中的有效调控对于构建高密度、高速度及高能效的新型磁存储和逻辑器件具有重要意义。作为传统的调控手段，通过“场冷过程”实现钉扎方向的重新取向需要外磁场参与，并提升器件温度，不利于实际应用。而通过电流驱动交换偏置的翻转则成为更加理想的手段。但是此前在具有垂直磁各向异性的多层膜体系中，该过程始终依赖于外磁场，因此，如何实现交换偏置效应的“全电学调控”就成为基于反铁磁多层膜体系构建新型自旋电子学器件的关键问题之一。
图1：(a) 单晶外延Pt/Co/IrMn多层膜结构及截面高分辨透射电镜图像；（b）外延应力作用下的IrMn磁结构示意图；（c）超薄单晶IrMn层的全域未补偿磁矩；（d）垂直交换偏置效应的全电学调控。
鉴于此，王守国教授团队利用超高真空分子束外延系统成功制备具有垂直磁各向异性的单晶外延Pt/Co/IrMn3多层膜，该体系在反铁磁IrMn层厚度仅为2nm时仍具有较强的室温交换偏置效应（偏置场高达436 Oe）。团队通过多种晶体结构表征技术手段并结合微磁学模拟揭示了单晶IrMn层中外延应力的各向异性是在室温下形成较强交换偏置效应的主要原因，并以此为基础进一步优化样品结构，实现了垂直交换偏置效应的全电学调控。该工作以单晶薄膜材料的高质量制备为前提，在阐明相关物理机制的同时为电学调控反铁磁多层膜材料及器件的关键特性提供了可行的技术方案 (Nature Communications (2024) DOI: 10.1038/s41467-024-49214-z) 。
近期，具有长程磁有序的二维范德瓦尔斯材料成为了研究热点。高可调控性使得二维范德瓦尔斯材料成为了下一代功能器件极具竞争力的平台。然而这些材料体系中，拓扑纳米磁结构的动力学行为机理仍有待研究。
图2：由自旋转移力矩驱动的Fe3GeTe2赛道存储器件中的电流诱导磁畴壁移动。（a）差分克尔显微镜测量的磁畴壁移动图像；（b）20 K温度下，磁畴壁的位移与累积脉冲电流脉冲施加时间的依赖关系；（c）20 K温度下，磁畴壁移动速度与施加电流密度的依赖关系；（d）20 K温度下，不同电流脉冲宽度的磁畴壁移动速度与施加电流密度的依赖关系；（e）20 K温度下，磁畴壁移动最大速度与电流脉冲宽度的依赖关系；（f）5 ns电流脉冲宽度下，磁畴壁移动最大速度与对应的施加电流密度与温度的依赖关系。
鉴于此，王守国教授团队研究了基于剥离二维范德瓦尔斯材料Fe3GeTe2赛道存储器件中的电流诱导磁畴壁移动。其中，由自旋转移力矩诱导的磁畴壁移动速度较之前的体材料体系提高了约一个量级，可达5.68 m/s。通过包含手套箱与磁控溅射腔体的真空互联系统，制备了Fe3GeTe2/重金属异质结，确保了极高的界面质量，进而可以施加自旋轨道力矩。通过改变重金属层材料，团队发现自旋轨道力矩既可与自旋转移力矩相竞争（Pt重金属层），也可与其加强（W重金属层）。在Pt重金属层的器件中，随着注入电流密度的改变，磁畴壁移动方向发生了明显的反转。磁畴壁移动的机制从自旋转移力矩主导（沿电子方向）变为自旋轨道力矩主导（沿电流方向）。通过磁畴壁运动速度的磁场依赖行为，确定了在Fe3GeTe2体系中，存在着源于块体的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用。该项工作促进了基于二维范德瓦尔斯磁性材料的拓扑纳米磁结构动力学行为机制的深入理解，为进一步开发赛道存储器提供物理和材料支撑（Nature Communications (2024) DOI: 10.1038/s41467-024-48893-y）。