磁性异质结中氧空位迁移调控自旋极化输运研究

Controlling the spin degree of freedom by electric filed is crucial for the development of both novel spintronics devices and modern information technology. However, it is of great challenges to realize remarkable electric field control of both interfacial magnetism and spin polarized transport in the same devices. Based on our previous work on the Co/CoO-ZnO/Co magnetic tunnel junctions, where 4 resistance states have been obtained, we propose the following studies. First of all, based on the spatially non-uniform doping of the oxygen vacancy, the resistance and magnetoresistance of oxide magnetic films such as Co:In2O3 and Co:ZnO would be tuned by electric field. Secondly, combing the electric-field driven oxygen vacancy migration and the strain effect, the spin polarized transport properties of Co/ZnO-LaCaMnO/Co、Co/ZnO-CoO/Co/PMN-PT junctions with composited insulating barrier will be manipulated by external electric field. The third, theoretical calculations will be performed to study the influence of oxygen vacancy concentration and distribution on the interfacial magnetism and spin polarized transport of magnetic heterojunctions. And, the experimental design could be optimized based on the theoretical understanding. This project may have some breakthrough in the field of electric-field control of magnetism, which is important for the preparation of future multi-functional oxide magnetic heterojunctions.

电场调控自旋对研发新型自旋电子器件，促进信息技术快速发展至关重要。然而在同一个器件中实现电场对界面磁性、自旋极化输运的协同调控面临巨大的挑战。基于我们在Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道结中获得4电阻态的工作基础上，本申请提出：（1）基于氧空位空间的非均匀掺杂，实现电场对Co:In2O3等氧化物磁性薄膜的电阻、磁电阻的显著调控。（2）基于电场诱发氧空位迁移和应力的共同作用，实验上实现电场对Co/ZnO-LaCaMnO/Co、Co/ZnO-CoO/Co/PMN-PT等具有复合势垒层的磁异质结的隧穿磁电阻等自旋极化输运的大幅度调控。（3）结合理论计算研究氧空位浓度与分布对异质结界面磁性以及自旋极化输运的影响，指导并优化实验设计。本申请项目的顺利开展，有望在电场调控自旋（磁性）方面获得突破，为今后多功能氧化物磁性异质结的研发，积累必要的技术储备。

为了满足飞速发展的现代信息存储与通信技术对电子器件低功耗、非易失性能的需求，项目提出利用氧空位的掺杂或迁移，结合应力等长程调控手段，实验上实现电场对氧化物磁性异质结中自旋极化输运的有效调控，为研制新型存算一体多功能自旋电子器件奠定基础。为此目的，我们主要开展了以下五个方面的研究工作：1. ZnO/Co/PMN-PT复合异质结中电场可调控的磁化强度和反常霍尔效应。2. 在Co/GeO/n-Ge异质结中利用整流磁电阻效应分离界面磁电阻和体磁电阻。3. 在磁性多层膜以及MgO磁性隧道结中，通过对磁性层剩磁状态的控制实现十电阻态。4. 在Pt/Co/CoO/Oxide异质结中实现电场对磁各向异性和电流引起磁化反转的调控5. CoPt成分梯度合金单层膜中自旋轨道矩效应的探索研究。一方面，基于电场驱动氧空位的迁移，我们在Pt/Co/CoO/TaOx异质结中，实现电场对磁各向异性和自旋流引起磁化反转的调控效果显著，并在ZnO/Co/PMN-PT异质结中，实现电场对磁化强度和反常霍尔效应的显著调控，阐明了氧空位对界面磁性和自旋极化输运的重要影响，为多功能氧化物磁性异质结的研发奠定了基础。另一方面，利用剩磁调控在磁性多层膜及MgO磁性隧道结中演示了磁“写”电“读”的10态存储，且这种剩磁调控方法原则上可以推广到其它任意具有多磁畴结构的磁性异质结中，具有广泛的应用前景。最后，通过在CoPt合金单层膜中引入成分梯度，打破CoPt晶体结构对称性，实现自旋流引起的磁化翻转，并进一步结合层间耦合效应，获得零磁场下的自旋流引起的定向磁化翻转，为新型自旋逻辑与多态存储器件的研发提供了新的平台。项目执行期间，发表SCI论文10篇，其中Nat. Comm. 1篇，Adv. Funct. Mater. 2篇，Appl. Phys. Lett. 2篇，获得国家授权发明专利3项，培养多名博士和硕士生。