磁存储器件中基于力-电-磁耦合的电压调控磁翻转的多尺度计算研究

Voltage control of magnetic reversal via the multi-field coupling is essential for the design of magnetic storage device (MSD) with low-power assumption. In this project, based on a nanoscale MSD prototype with mechano-electro-magnetic coupling, the mechano-magnetic and interfacial electro-magnetic coupling mechanisms will be integrated and a theoretical computation study on the voltage control of magnetic reversal through the mechano-electro-magnetic coupling will be carried out. The underlying physical origin on how these two coupling mechanisms control magnetic properties, as well as their combining effects, will be explored. Also, a multiscale computational scheme for predicting the voltage control of magnetic properties and magnetic reversal dynamics and their temperature dependence, along with the cross-scale parameter transfer strategy, will be developed. In detail, the influence of different coupling mechanisms on the voltage control of atomic-scale magnetic properties will be explored and the associated electronic-level mechanism and physical origin will be revealed. The macroscopic magnetic parameters and their temperature dependence will be identified, in order to bridge the gap between the magnetic parameters obtained from electronic-level calculations and the parameters for the continuum model. The stochastic behavior of the voltage-controlled magnetic reversal dynamics at finite temperatures will be investigated to identify the critical factors for realizing the 180 degree magnetic reversal. It is anticipated that the project outcome could provides theoretical and technical support for the multiscale design of high-performance nanoscale MSD.

基于多场耦合的电压调控磁翻转，对设计低能耗磁存储器件具有重要意义。本项目针对一种力-电-磁耦合的纳尺度磁存储原型器件，以力磁耦合和界面电磁耦合机制的结合为切入点，开展基于力-电-磁耦合的电压调控磁翻转的理论计算研究，着力探讨两种耦合机制共同作用时电压调控磁性能的物理起源及其联合效果，建立磁性参数跨尺度传递的有效桥梁，发展用于预测电压调控磁性参数和磁翻转动力学及其温度相关性的多尺度计算方法。具体地，研究不同耦合机制对电压调控原子尺度磁性能的定量效果，探索电子层次的调控机理及物理起源；研究电压调控宏观尺度磁性参数的温度相关性，构建将电子层次计算的磁性参数传递至连续介质模型的桥梁；研究电压调控磁翻转动力学在有限温度下的随机行为特点，揭示实现180度磁翻转的关键控制因素。本项目的研究成果有望为高性能纳尺度磁存储器件的多尺度设计提供理论与技术支撑。

基于多场耦合的磁翻转及磁性能调控，对设计低能耗和高密度磁存储器件具有重要意义，但在多种耦合机制的结合及其背后的物理起源，以及磁翻转动力学设计的理论计算方面，还有相关的科学问题尚未解决。本项目主要研究内容包括：力磁耦合和界面电磁耦合机制联合作用下电压调控磁性能的规律及机理；电压及磁场调控磁翻转动力学的多尺度计算；界面效应和力-磁耦合诱发的功能特性。主要研究结果包括：结合第一性原理计算和有限温度磁化动力学模拟，在由MgO/Fe/Cu组成的典型磁/绝缘体纳米异质结中，实现了电压驱动的180度快速磁翻转，发现300K条件下可在5ns内实现180度磁翻转；发展了磁性参数跨尺度传递的计算方法，将0 K下的第一性原理计算和有限温度下的原子自旋计算结合起来，预测了宏观磁参数随温度的变化，实现了基于多尺度计算的宏观磁交换系数随温度变化的理论预测，并发现了与晶界相关的“双各向异性”现象；提出了集成相场/微磁模型和Arrott-Noakes方程的计算方法，利用Arrott-Noakes方程将相场模型在居里温度以下的结果外推至居里温度以上，从而实现了跨越居里温度的宽温域磁热性能的计算；在SrMnO3/SrTiO3（SMO/STO）磁电异质结中，发现面内拉伸应变可降低SMO的氧空位形成能，异质结界面的Mn/Ti相互扩散可大幅增加STO中的氧空位，使得STO的导电性更强；在SrRuO3量子结构中，发现晶格应变(c/a)和八面体旋转对面外磁晶各向异性能具有相反的作用，较小的c/a和较大的八面体旋转角度，使得易磁化轴大幅偏离面外方向；建立了二维反铁磁MnPS3的非弹性大变形本构模型，采用第一性原理确定了模型参数，进一步结合原子自旋模拟研究了磁热效应及其应变调控，发现面内双轴应变可使磁热效应提升1.5-2倍，为微纳器件的固态制冷技术提供了新思路；建立了考虑磁畴微结构演化的顺磁奥氏体与铁磁马氏体相变的相场模型；揭示了影响交换弹性Fe16N2/SrAl2Fe10O19（FeN/SrAlFeO）复合磁体性能的微结构机制，为实验合成高性能FeN/SrAlFeO复合磁体提供了微结构优化的方向。