电场对磁性氧化物薄膜的离子输运和磁性调控研究

Compared to the traditional magnetic memory with writing the information by applying a current or a magnetic field, a novel memory mode, writing by an electrical field and reading by a magnetic head, has become a leading technology due to some potential advantages such as the high speed and low consumption. Currently, how to effectively control the magnetism by an electrical means keeps to be a critical issue, though it can be realized by utilizing a field effect structure or a multiferroic material with relatively complicated procedures and unavailability at room temperature. In this project, we will study ionic transport properties in magnetic oxide films under an applied electrical field in a nanoscale, especially, by means of a home-made nano-characterization platform which may capture the magnetic, electrical as well as thermal properties simultaneously, and explore the relevance between ionic transport and magnetic properties, including magnetization, coercivity, magnetic anisotropy, and magnetic domain structure and so on. We attempt to explore some new methods and new materials to realize controlling the magnetism by applying an electrical field at room temperature and in a simple sample structure.

相比于传统的磁场/电流写入的存储方式，电场写入磁场读出（即电写磁读）的信息存储模式具有高速度与低功耗的优势，已成为新一代信息存储技术发展的趋势。电写磁读存储模式的技术基础和核心问题是在室温下如何通过电场有效地控制存储介质的磁性。针对当前基于场效应或者多铁材料的电场控制磁性的方式存在着器件结构/制备工艺复杂，抑或难以在室温实现等问题，本项目以磁性氧化物薄膜材料作为主要研究对象，计划通过自主研发的纳米磁-电-热多参量耦合原位表征系统等方法在纳米尺度下原位研究电场作用下的离子输运行为，以及离子输运过程对氧化物薄膜的磁性演化（包括磁矩、矫顽力、磁各向异性、磁畴结构等）的影响规律，探索实现电场控制磁性的新途径和新材料体系。最终在室温下在简单的结构体系中实现电场对磁性的有效调控。

在自旋电子学器件中，采用电流写入磁信息的方式进行存储具有高功耗的缺点，相对而言，采用电场写入磁信息的存储模式可以极大降低器件的信号，已成为新一代信息存储技术发展的趋势。该技术的核心问题是在室温下如何通过电场有效地控制存储介质的磁性。针对当前基于场效应或者多铁材料的电场控制磁性的方式存在着器件制备工艺复杂，抑或难以在室温实现等问题，需要开发新的调控手段。本项目通过对磁性氧化物薄膜中离子的输运行为进行研究，澄清了部分氧化物中离子输运与晶体结构、缺陷、电场的关联规律，发现离子跃迁的势垒、晶体缺陷大小、缺陷电荷分布是影响离子输运的重要因素。证实了离子输运是调控薄膜磁性的有效方法，离子输运调控磁性具有可逆和低功耗的特点。由于离子迁移局域化的特点，离子输运可以有效调控磁畴的翻转和磁畴壁的移动。通过第一性原理计算，发现电场作用下离子的重排、定向迁移均可有效调控磁性，磁性调控的强弱与离子输运的量呈正相关，可以实现器件微区磁化方向的多级调控。本项目的研究结果为实现构建超低功耗多态磁电存储器提供了可行性。