Прогресс исследований механизма топографической магнитной структуры границы раздела графен / ферромагнитный металл

Магнитный сигмоид, топологически защищенная магнитная вихревая структура (рис. 1), является наноразмерным, энергонезависимым и простым в управлении, что делает его идеальным для хранения информации, логических операций или технологий нейронных сетей. Эта область является горячей точкой исследований спинтроники в последние годы. Однако применение магнитных сигмоидов в устройствах спинтроники должно решать такие проблемы, как стабильность при комнатной температуре, контролируемое чтение и запись, высокая плотность и совместимость с существующими магнитными запоминающими устройствами. Физическая суть решения вышеуказанных задач заключается в поиске подходящего взаимодействия Дзялошинского-Мориа (DMI) и структуры материала с перпендикулярной магнитной анизотропией.

Рис.1 Принципиальная схема магнитной сигмоидной структуры и структуры Co (Ni) / графен

Хунсинь Ян, исследователь из Института технологии материалов и инженерии Китайской академии наук, работает над DMI с 2012 года. Он работал с профессором Маирбеком Чшиевом, профессором Андреа Тиавилль и лауреатом Нобелевской премии Альбертом Фертом над разработкой метода, основанного на на первопринципных вычислительных интерфейсах DMI. Успешно обнаружено физическое изображение границы раздела ферромагнитный металл и тяжелый металл DMI типа Ферта-Леви с точки зрения первых принципов (см. Рисунок 2 слева) [HYetetal.Phys.Rev.Lett.115,267210 (2015); O.Boulle, J. Vogel, HYetal. NatureNanotech. 11, 449 (2016)], поверхность раздела ферромагнитный металл и тяжелый металл также является наиболее изученной системой текущей топологической магнитной структуры, однако механизм Ферта-Леви требует немагнитной подложки для обеспечения сильного SOC для генерации большого DMI (как показано на верхний левый рисунок 2), выбор материала подложки сделан из 5d и других материалов тяжелых металлов, а присутствие тяжелых металлов обычно влияет на эффективность чтения и записи запоминающих устройств и представляет собой магнитный туннель, обычно используемый в промышленности. . Несовместимая структура памяти переходов, что усложняет производственный процесс. Следовательно, как преодолеть ограничение тяжелых металлов, то есть прорваться через механизм Ферта-Леви для достижения большего DMI, становится одной из полевых проблем.

Рисунок 2 DMI, вызванный DMI типа Ферта-Леви и эффектом Рашбы

Чтобы решить эту проблему, Хунсинь Ян и его сотрудники провели глубокие исследования границы раздела между ферромагнитным металлом и графеном. Структура показана на рисунке 1. Было обнаружено, что граница раздела между однослойным Co и графеном может индуцировать DMI до 1,14 мэВ. Граница раздела между тремя слоями Co и графена может индуцировать DMI с силой 0,49 мэВ, и ее прочность можно сравнить с DMI на границе раздела ферромагнитный металл / тяжелый металл. Что более интересно, физический механизм системы полностью отличается от механизма Ферта-Леви. Тип DMI, как видно из рисунка 2, в структуре Co / Pt, DMI является наибольшим в межфазном ферромагнитном слое слоя Co, и его источник энергии, то есть энергия SOC поступает не из слоя Co, а из граница раздела слоя драгоценного металла Pt; В графене / Co энергия как DMI, так и SOC находится в слое Co. Физическая причина различия заключается в том, что DMI на границе раздела графен / Co - это DMI, индуцированный эффектом Рашбы (как показано на рисунке 2), а интерфейс Co / Pt - это Fert. -Леви типа. Чтобы проверить DMI, вызванный эффектом Рашбы, Хунсинь Ян и его сотрудники дополнительно вычислили изменение энергетической полосы в различных магнитных направлениях из первых принципов и вычислили коэффициент Рашбы. Размер DMI был рассчитан из коэффициента Рашбы и составил 0,18 мэВ, и был использован первый принцип. Расчетное значение 0,49 мэВ того же порядка (рис. 3) [HYetal. NatureMaterials (2018) DOI: 10.1038 / s 41563-018-0079-4].

На рисунке 3 рассчитывается DMI, вызванный эффектом Рашбы интерфейса Графен / Со.

В соответствии с теоретическими расчетами доктор Чен Гонг (соавтор этой работы) и профессор Андреас Шмид из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли независимо друг от друга экспериментально измерили DMI на интерфейсе Co / Graphene. Как показано на рисунке 4, DMI составляет -0,05 мэВ на интерфейсе Ru / Co и 0,11 мэВ на двойном интерфейсе Ru / Co / графен. DMI интерфейса Co / графен может быть рассчитан как 0,16 мэВ, и используется первый принцип. Это хорошо согласуется с DMI, рассчитанным по эффекту Рашбы.

Рис. 4 Эксперименты по изучению изменений магнитных доменов Ru / Co / графена и Ru / Co с помощью SPLEEM, интерфейс DMI, а затем получение DMI интерфейса Co / графен

Наконец, учитывая, что хиральность DMI на границе графен / Co является против часовой стрелки, в структуре графен / Ni, когда толщина Ni меньше 2 атомных слоев, DMI вращается по часовой стрелке, поэтому грефен / Ni может быть перевернут, укладывая структуру. в Ni / графен, чтобы изменить его хиральность DMI, тем самым реализуя усиление DMI в многослойной структуре графен / Co / Ni / графен. Что еще более интересно, перпендикулярная магнитная анизотропия также различна в этой структуре. По мере увеличения количества переходов многослойное наложение одновременно регулирует перпендикулярную магнитную анизотропию и DMI, тем самым предоставляя больше возможностей для регулирования топологических магнитных структур (как показано на рисунке 5).

55555.png

Рисунок 5 Интерфейс Co (Ni) / графен DMI с изменением толщины слоя ферромагнитного материала (слева), многослойная пленка графен / Co / Ni / графен с изменением DMI и PMA с гетеропереходом (справа)

Таким образом, граница раздела между графеном и ферромагнитным металлом может достигать большого DMI, что отличается от модели Ферта-Леви. Физический механизм вызван эффектом Рашбы, который нарушает зависимость интерфейса DMI от тяжелых металлов. Кроме того, учитывая, что интерфейс Co / графен также имеет большую перпендикулярную магнитную анизотропию [HYetal.Nanoletters 16, 145 (2015)], и оба могут быть легко отрегулированы в интерфейсе Co / графен, можно предвидеть, что серия будет работать . Он предоставляет больше возможностей для научных исследований и применения спинтроники и спинтроники в графеновой спинтронике и топологических магнитных структурах.

Теория работы была частично завершена Ян Хунсинь и Университетом Гренобля во Франции, Французским национальным научно-исследовательским центром и Французским институтом атомной энергии, профессором лаборатории SPINTEC Майрбеком Чшиевом, Французским национальным научно-исследовательским центром и профессором объединенной физической лаборатории Талеса. Альберт Ферт. Завершено сотрудничество Чен Гонга и Андреаса Шмида и других участников. Работа была поддержана программой исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 (Graphene Flagship) и французским проектом ANRULTRASKY, SOSPIN, Genci-Cines, Управлением науки США, Управлением фундаментальных энергетических наук, Министерством энергетики, Офисом президента Multicampus Research. Программы и инициативы, а также проект Центральной организации «Молодежь 1000» и проект «Нинбо 3315».

Страница содержит содержимое машинного перевода.