钙钛矿锰氧化物中磁畴壁运动的可控调控及其SPM研究

Controlled manipulation of magnetic domain wall (DW) motion by electric current/field is a subject of intensive studies in spintronics because of its fundamental interest and promising potential for the new-generation of memory, logic devices. Up to now, most of preious studies in this respect have focused on the magnetic metal, and the spin-polarized current is the control parameter commonly used for the manipulation of magnetic DW motion. However, the Joule thermal effect due to the excess high current density is a bottleneck for the improvement of the related device performance. Thus, it is should be interesting and important to extend this study to other material or to find new effective control methods and principles. Perovskite manganite has attracted extensive attention because of its rich physics and potential applications since the discovery of colossal magnetoresistance. In this project, we will perform a study on the controlled manipulation of the magnetic DW motion in manganites by using different control means, which is aimed to reveal the underlying physics behind the DW movement and explore the novel effect for applications. As is well known, the Scanning Probe microscope (SPM) is a powerful tool for detecting and controlling the surface structures and properties of materials at nanometer scale. In this project, more efforts will be put to the study on the motion of the magnetic DW driven by applying current/voltage on the SPM-probe. And the related underlying physics will also be analyzed. Additionally, the effects of microwave, strain and the detail geometry feature of microstructure on the magnetic DW motion will be investigated. Due to the distinctive feature of the coupling between spin, charge and lattice in manganites as well as the unique technological advantages of SPM at nanometer scale, research performed in this project will have important implications for both the understanding of magnetization dynamic and the explorations of the small-size devices with multi-functionalities.

磁畴壁运动的电流或电场调控具有丰富的物理内涵，在新型存储器、逻辑器方面具有广阔的应用前景，是近年来自旋电子学领域的热点之一。目前磁畴壁的调控研究主要集中磁性金属当中，并且一般利用自旋极化电流调控，然而其需要的电流密度较高，由此引起的发热效应限制了此类器件性能的提高。钙钛矿锰氧化物由于其具有庞磁电阻效应等丰富的物理性质而引起了科学家们的广泛关注。本课题计划研究各种手段对锰氧化物中磁畴壁运动的调控规律。由于扫描探针显微镜（SPM）是纳米尺度下探测与操控材料表面结构与性质的有力工具，本课题将重点研究在SPM针尖上加电流或电压对锰氧化物中磁畴壁运动的调控及其机制。此外，还将研究微波、应变、样品微结构的几何特征对磁畴壁运动的影响规律。由于锰氧化物的强关联电子特性以及SPM在纳米领域的独特技术优势，本课题的研究将对磁动力学机制的理解以及多功能、小尺寸的自旋电子学器件的研发有重要意义。

随着信息技术的发展，人类社会即将步入后摩尔时代。为此，人们迫切需要发展新一代的数据处理器以替代传统的（电荷相关）硅基电子器件。其中，基于（自旋相关的）磁畴壁调控的磁畴壁存储器或逻辑器因其可能具有的高速度、高容量等优点受到人们的广泛关注。目前磁畴壁的调控研究主要集中磁性金属当中，并且一般利用自旋极化电流调控，然而其需要的电流密度较高（阈值高达1011 A/m2），由此引起的发热效应限制了此类器件性能的提高。在本项目中，我们提出了一种基于SPM针尖的自旋电容器模型来实现单个铁磁性锰氧化物磁畴壁的调控方法，该原理性器件从上到下依次为磁性SPM针尖、铁磁性La0.67Sr0.33MnO3 （LSMO）薄膜、LaAlO3 (LAO)介电层及导电电极层。我们的实验结果表明在极低的0.1V的交流电压下就能在上述针尖与LSMO间实现自旋转矩交换作用，从而导致LSMO中磁畴壁的运动。据此估计出的自旋极化电流密度的下限为～108 A/m2。我们还采用Landau-Lifshitz-Gilbert方法模拟了上述针尖调控磁畴壁的动力学过程。根据这些结果，我们提出了一种了基于锰氧化物磁畴可控调控的存储器及磁畴壁调控方法，并获得国家发明专利授权。本工作是首次在强关联的磁性锰氧化物体系中观察到了自旋极化电流对其磁畴壁运动的调控，并且驱动磁畴壁运动的临界电流密度小于其它磁性金属材料中的数值。此外，我们还提出了一种利用斜切衬底的对称性破缺来调控LSMO薄膜中磁畴壁运动方向的方法，其具体的实验表明：在斜切的 LAO上的LSMO膜中的磁畴壁运动方向倾向于平行斜切LAO的斜切方向。根据这一结果，我们提出了一种具有抗磁场干扰性能的磁畴壁存储器装置，并磁畴壁也已获得国家发明专利授权。总之，本项目所提出的基于SPM针尖的自旋电容器模型为低能耗、高性能的纳米自旋结构的调控提供了一个全新的实验方案。. 在国家自然科学基金资助下，我们还分别对基于锰氧化物的pn型异质结、LaAlO3/SrTiO3界面和GaN纳米线等体系的光电导效应进行了研究，并发现了一些有趣的光电导现象，例如电流和磁场可调的光电导现象以及场控增强的持续光电导现象等，这些结果都在我们已发表的论文中示出。