寧波材料所在垂直磁各向異性和界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用領域取得系列重要進展

2021-01-20 中科院寧波材料所

鐵磁材料中的垂直磁各向異性（PMA）和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）是實現高效自旋電子器件的關鍵參量。增強鐵磁材料PMA的傳統方法有：構建具有大的自旋軌道耦合（SOC）強度的重金屬（HM）-鐵磁界面或者構建氧化物-鐵磁金屬界面。提升鐵磁金屬體系的DMI同樣需要具有較大的SOC，兼需空間反演對稱破缺的界面，因此，重金屬Pt、Ir等常被用來與鐵磁金屬構建界面從而調控DMI。與傳統的重金屬材料相比，氧化物材料具有一些特殊的自由度，例如複雜氧化物的終端和鐵電氧化物的極化。因此，通過構建不同終端的鐵電氧化物與鐵磁金屬的界面，有希望利用新的自由度來實現PMA和界面DMI的調控。


近日，新加坡國立大學陳景升教授團隊和中國科學院寧波材料技術與工程研究所量子功能材料團隊楊洪新研究員等人針對鐵電氧化物與鐵磁金屬界面展開深入研究並取得重要進展。團隊利用鐵電材料BaTiO3(BTO)作為氧化層，成功合成了兩種不同終端即BaO-和TiO2-的BTO薄膜，研究了氧化物/鐵磁金屬界面中的PMA和DMI，從實驗和理論上闡明了氧化物終端和極化對PMA和DMI的調控作用。

理論研究表明，Fe在BaO-BTO和TiO2-BTO兩種結構中的磁各向異性（MAE）分別為1.00和0.38 mJ/m2，很好地與實驗中的界面各向異性常數（Ki）相吻合。二階微擾理論說明兩種終端不同的MAE是由Fe的dxy與dx2-y2軌道雜化決定（圖1），從而使BaO-BTO/Fe表現為PMA，TiO2-BTO/Fe表現為IMA。計算同時發現BTO/Fe/Pt異質結構中TiO2-和BaO-終端的DMI分別為5.09和8.39mJ/m2，與實驗上測得的不同終端的DMI大小關係相吻合。計算結果表明，BTO/Fe/Pt異質結構中的DMI主要來源於BTO/Fe和Fe/Pt這兩個界面的競爭。更進一步，研究人員通過對於不同極化界面的計算，闡明了BTO層的不同終端而並非極化在BTO/Fe界面的PMA和DMI調控過程中起到了最主要的作用。該工作證明了氧化物終端對於鐵磁金屬PMA與DMI的調控作用，從而為PMA和DMI的調控提供了一條嶄新路徑，同時為低功耗的自旋電子學器件設計提供了新思路。

圖1  (a)和(b)分別為TiO2-BTO/Fe和BaO-BTO/Fe結構圖，黃色、綠色、藍色和紅色分別表示Fe、Ba、Ti和O原子

(c)和(d)分別為TiO2-和BaO-終端中Fe原子態密度

(e)和(f)分別為TiO2-和BaO-終端中Fe原子軌道分辨MAE

該工作以題為「Perpendicular Magnetic Anisotropy and Dzyaloshinskii-Moriya Interaction at an Oxide/Ferromagnetic Metal Interface」的論文發表在Phys.Rev.Lett.124,217202(2020)。

之前研究還表明除了重金屬-鐵磁金屬界面可以得到大的DMI，石墨烯/鐵磁金屬界面能通過Rashba效應誘導出較大的DMI（Nat. Mater. 17, 605 (2018)）


與此同時，不同濃度的氫化石墨烯已經被成功製得（Science 323,610 (2009)；ACS Nano 4, 6146 (2010)；Nat. Mater. 9, 315 (2010)；Adv. Mater. 30, 1801838 (2018)）。這些實驗結果暗示了通過氫化的方法可能有效調控石墨烯/鐵磁界面中的磁性。

中科院寧波材料所量子功能材料團隊楊洪新研究員等人基於第一性原理系統研究了石墨烯/鈷界面結構中石墨烯表面氫濃度對DMI的影響。研究發現，吸附不同濃度氫的石墨烯/鈷界面DMI隨鈷層厚度增加呈周期性震蕩並在鈷厚度為5層時趨於穩定；DMI的強度隨氫濃度的增加而改變，某些情況下甚至改變手性（圖2）。通過計算鈷的d軌道態密度並結合一階微擾理論可知，鈷dxy與dz2軌道佔據態的變化導致了DMI的改變（圖3）。該研究為調控DMI的強度乃至手性提供了一條有效路徑。

圖2 (a) Co(4ML)/Gr-4/8H的CW和ACW示意圖，箭頭表示旋轉方向；

(b) 表示不同氫濃度DMI對Co層厚度的變化；

(c) Co/graphene和Co/graphene-4/8H中與DMI相關的SOC能量隨Co厚度的變化；

(d) 不同氫濃度下Co原子的平均磁矩隨厚度的變化

圖3 (a)-(d)分別表示不同氫濃度的石墨烯/Co界面中Co原子態密度；

(e)和(f)分別表示Co/graphene和Co/graphene-4/8H兩種結構的能級示意圖

上述工作以「Reversible control of Dzyaloshinskii-Moriya interaction at the graphene/Co interface via hydrogen absorption」為題發表在Phys.Rev.B101,104406(2020)。


該系列工作得到了國家自然科學基金（11874059）、浙江省自然科學基金（LR19A040002）、中國科學院原始創新0-1項目（ZDBS-LY-7021）、中國博士後科學基金、歐洲Graphene Flagship等項目的支持。同時感謝中科院寧波材料所超算平臺對計算工作的大力支持。

文稿｜中科院磁性材料與器件重點實驗室 王軍強

編輯｜材華君

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