低磁阻尼外延多铁异质结中电压调控自旋泵浦效应研究

Spin current drives the spintronic devices and manipulation of spin current is the basis for achieving various functionalities in them. Currently, there is few method for manipulation of spin current. Based on ferromagnetic resonance, spin pumping is one important way for generating spin current. This project provide a new method by voltage control of ferromagnetic resonance to tune spin pumping and spin current in “ferroelectric/ferromagnetic/nonmagnetic” hybrid multiferroic heterostructures. Firstly, low damping “ferroelectric/ferromagnetic” epitaxial multiferroic heterostructures are the basis for this method and they will be prepared by depositing low-damping perovskite manganites or spinel ferrites on perovskite ferroelectric single crystal substrates. A buffer layer will be applied and serve to reduce the lattice mismatch between ferroelectric layer and ferromagnetic layer. Secondly, voltage control of spin pumping will be studied systematically with focus on the magnetoelectric coupling effects from various interfaces. Meanwhile, the cooperative effect of strain effect and charge effect from ferroelectric layer, the anisotropic response as well as its length scale will be studied further. A new model of voltage control of generation of spin current will be established. In a word, developing new multiferroic heterostructures with low-damping and revealing the fundamental mechanism of voltage control of spin pumping will provide a new passway for developing new functionalities of spintronic devices.

自旋流的产生与调控是当前自旋电子学的核心研究内容，电压调控自旋流是开发新型自旋电子器件取代传统半导体器件的基础，然而现有电压调控自旋流的方法存在调控尺度小、调控方法有限的问题。为此本项目提出构建“铁电/铁磁/非磁”复合多铁异质结，通过电压调控铁磁共振改变自旋泵浦效应，从而实现电压调控自旋流的新方法。首先研究低磁阻尼外延多铁异质结的可控制备，开发满足新方法应用需求的新材料体系。然后研究铁磁共振、铁磁/非磁界面自旋输运等自旋泵浦效应关键物理过程的电压调控规律，结合电压调控晶格-自旋弛豫等新机制完善各关键物理过程的电压调控理论模型，并探索尺寸效应、各向异性调控和非易失性调控方法。最后建立电压调控自旋流的理论模型，开展纯电压调控自旋流源的数值模拟，阐明电压调控自旋流的磁电耦合机理与最大化调控方法。本项目将为开发以多铁性材料为核心的、低功耗和超快响应的新型自旋电子器件提供理论指导和关键材料基础。

自旋流的产生与调控是当前自旋电子学的核心研究内容，电压调控自旋流是开发新型自旋电子器件取代传统半导体器件的基础，然而现有电压调控自旋流的方法存在调控尺度小、调控方法有限的问题。为此本项目提出构建多铁异质结，通过电压调控铁磁共振，进而改变自旋泵浦效应，从而实现电压调控自旋流的新方法。首先，研究低磁阻尼外延多铁异质结的可控制备，系统研究了制备工艺、薄膜厚度、单晶衬底和外延取向等对异质结电磁性能的影响规律，开发了具有窄铁磁共振线宽的“PMN-PT/CoFe”和“PMN-PT/缓冲层/LSMO”两种外延多铁异质结新体系。经过优化后，PMN-PT/CoFe基外延多铁异质结的X波段铁磁共振线宽由87Oe减小至35Oe，而选择晶体结构匹配、晶格常数渐变的SrRuO3/SrTiO3缓冲层后，PMN-PT/LSMO基外延多铁异质结的X波段铁磁共振线宽显著减小。然后，研究了外延多铁异质结和薄膜多铁异质结的磁电耦合响应与机理。在PMN-PT/CoFe基外延多铁异质结中实现了电压诱导磁易轴在面内的近45°旋转，铁磁共振场移动127Oe，同时伴随着本征铁磁共振线宽的增大，而非均匀展宽和双磁子散射效应贡献减小，总线宽增大。在PMN-PT/LSMO基外延多铁异质结中，电压诱导铁磁共振场移动约100 Oe并伴随本征磁阻尼的减小。此外，还制备了全薄膜型的PZT/CoFeB多铁异质结，充分利用铁电层高击穿强度的特性，实现强场作用下（>1MV/cm）的大磁电耦合约26.1Oe，优于传统单晶或陶瓷基的块体型磁电复合薄膜（<20Oe）。基于磁电耦合效应的电压调控铁磁共振及磁阻尼等为实现高效自旋流调控提供了新思路，而全薄膜型、强耦合的磁电异质结为开发低功耗、微型化、易集成的磁性/自旋电子器件奠定了材料基础。