中國科大在氧化物自旋電子學研究領域取得重大進展

最近，合肥微尺度物質科學國家實驗室吳文彬課題組在氧化物自旋電子學研究領域取得突破。首次製備出基於全氧化物外延體系的人工反鐵磁體——[La_2/3Ca_1/3MnO₃/CaRu_1/2Ti_1/2O₃]_N，觀察到隨外加磁場清晰的具有層分辨的分步磁化翻轉模式。成果以「All-oxide-based synthetic antiferromagnets exhibiting layer-resolved magnetization reversal」為題發表在《Science》雜誌上 【Chen et al., Science 357, 191-194 (2017)】。文章合作單位為德國尤利希中子科學中心，第一作者為我校博士生陳斌斌，通訊作者為吳文彬教授。

 

上世紀八十年代末，[Fe/Cr]_N和[Co/Cu]_N等人工反鐵磁體中巨磁阻 (Giant Magneto-Resistance, GMR) 效應的發現，促成了自旋電子學的誕生，同時也正是因為其在商業磁存儲等領域的成功應用，使得當今雲存檔和雲計算等新興產業成為可能。人工反鐵磁體是由鐵磁層和非磁層交替生長形成的多層膜材料（層數N，各層厚度在納米至亞納米量級），由於相鄰鐵磁層之間具有所謂的反鐵磁層間交換耦合，各層磁化在零場下呈反平行排列。相比於單相反鐵磁晶體中巨大的交換場（幾十萬高斯），人工反鐵磁體的層間交換作用要弱得多（幾十到幾千高斯），並且隨層厚等製備參數變化大小可調，使實際應用成為可能。當外加磁場克服層間耦合使相鄰鐵磁層的磁化平行時，人工反鐵磁體的電阻發生顯著變化，導致GMR效應。如今，人工反鐵磁體不僅成為多種新型自旋電子學器件的重要組成部分（諸如磁隨機存儲器等），也是研究反鐵磁材料的磁化動力學和磁疇結構等基礎問題的重要載體。

 

長期以來，針對人工反鐵磁體材料、物理和器件的研究多集中於過渡金屬及其合金材料。而過渡金屬氧化物作為另一大類材料體系，雖不乏鐵磁性和非磁性成員，但成功製備全氧化物人工反鐵磁體卻鮮有報導。這類材料因其高溫超導、龐磁電阻、磁電耦合、鐵電極化以及離子電導等一系列物理和化學效應，早已成為人們廣為關注的研究對象。同時，由於晶體結構上的相似性，它們易於相互外延生長，形成多功能器件；由於眾所周知的電荷、自旋、軌道、晶格多自由度相互作用和對稱性破缺等，其表面和外延異質界面往往會誘導出新的量子物態和新效應。可以說，在過去的十多年，隨著薄膜生長和檢測技術的不斷提升，有關氧化物外延異質界面的研究一直是精彩紛呈。然而，在這類材料中，作為一種最基本的器件結構單元——全氧化物人工反鐵磁體的缺失，無疑是一重大缺憾，也嚴重阻礙了相關氧化物電子學和自旋電子學器件的研製和發展。

 

事實上，鑑於氧化物材料豐富的物性和特有的優越性，如半金屬鐵磁性、抗氧化及熱穩定性，早在上世紀末人們就開始嘗試製備全氧化物反鐵磁體。然而，對該類材料也有如下問題必須解決。其一，磁性氧化物普遍存在所謂的「死層」，即隨著薄膜厚度降低，其鐵磁性衰退乃至消失，這極大地制約了氧化物人工反鐵磁體的研製；其二，薄膜厚度起伏易導致相鄰磁性層之間形成靜磁耦合，而非反鐵磁耦合，故構建超薄人工反鐵磁體要求高質量的異質外延生長，保證各層均具有原子級平整和清晰界面；其三，要實現層間反鐵磁耦合和具有層分辨的分步磁化翻轉模式，磁性層必須具有較強的單軸磁各向異性；其四，反鐵磁層間交換耦合源於RKKY相互作用或自旋極化隧穿，合適的非磁性層包括電子結構和缺陷態至關重要。吳文彬課題組長期從事複雜氧化物的外延生長及物性研究，近年來針對上述問題開展了一系列深入的研究 [Appl. Phys. Lett. 103, 262402 (2013); 104, 242416 (2014); Nat. Commun. 6, 8980 (2015); Nature Mater. 15, 956 (2016); ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 34924 (2016)]。

 

他們發現La_2/3Ca_1/3MnO₃(LCMO)/CaRu_1-xTi_xO₃(CRTO)界面由於Mn-O-Ru間電荷轉移可有效抑制LCMO鐵磁層的「死層」效應；兩種材料具有完全匹配的晶格參數和對稱性，可得到完好的界面保證了多層膜和超晶格的外延生長；其低對稱性正交結構使磁性層具有單軸磁各向異性；另外，在CRTO非磁層中Ru、Ti含量的變化導致其電子態和輸運性能可調。在此基礎上，他們在LCMO/CaRu_1/2Ti_1/2O₃(CRTO)中發現了清晰的反鐵磁層間交換耦合效應，首次觀察到從表層和內部各磁性層分步磁化翻轉模式，給出了耦合強度隨各層厚度及溫度的變化規律，以及可能的耦合機制。該工作無疑對氧化物自旋電子學的發展將起到重要的推動作用，同時也為功能氧化物界面的深入探索提供了新的平臺和思路。

 

圖一為LCMO/CRTO人工反鐵磁體結構表徵。X射線線掃描及倒空間掃描顯示清晰的衛星峰及衛星斑點（A，B），表明樣品規整的層狀周期結構。STEM及EELS表徵（C,D）顯示LCMO與CRTO層之間界面明銳，離子互擴散極其微弱。高質量的外延質量是構建人工反鐵磁晶體的前提。

 

 

圖一：LCMO/CRTO人工反鐵磁晶體結構表徵：（A）X射線線掃描；（B）X射線倒易空間掃描；（C）斷面HAADF-STEM表徵；（D）界面EELS表徵

 

 

圖二：LCMO/CRTO人工反鐵磁體磁性表徵：（A）LCMO/CRTO與LCMO/CRO超晶格磁化曲線及磁滯回線；（B）具有不同周期LCMO/CRTO超晶格的磁滯回線；（C）LCMO/CRTO（N=4）超晶格兩種可能的中間態磁構型；（D）LCMO/CRTO（N=10）人工反鐵磁超晶格在不同外場下極化中子反射譜

 

如圖二A所示，相比於LCMO/CRO樣品典型的鐵磁特徵，LCMO/CRTO超晶格磁化強度在140 K以下開始迅速減小，磁滯回線顯示零場下剩餘磁化接近為零，並在±1/5M_s處（M_s為飽和磁化強度）出現磁化平臺。通過分析具有不同堆垛周期N的超晶格樣品磁滯回線（圖二B），研究人員將該磁化平臺歸結為表層和內部LCMO層磁化的分步翻轉，究其原因在於二者因相鄰LCMO層數不同而受到的層間耦合作用不同。且對於N > 3的超晶格，存在兩種等機率的磁化翻轉次序，繼而導致兩種不同的中間態磁化構型（圖二C）。以上結果與過渡金屬體系蒙特卡洛模擬結果相一致。

 

通過與德國尤利希中子科學中心研究員蘇夷希（科大93屆校友）合作，該體系中的反鐵磁耦合態進一步被極化中子反射（PNR）實驗證實（圖二D）：零場下，PNR得出的磁結構周期為超晶格周期厚度的兩倍，表明相鄰LCMO層磁化反平行排列；而高場下，所有LCMO層磁化平行排列，磁結構周期與超晶格厚度周期相同。

 

通過控制中間非磁層厚度， LCMO/CRTO人工反鐵磁基本單元（N = 2）能實現較高場下磁性號疊加，同時保持弱場下的零磁化態（圖三A）。此外，研究人員還發現類似的反鐵磁層間耦合作用在T_c接近室溫的La_2/3Sr_1/3MnO₃(LSMO)/CRTO超晶格中亦能實現（圖三B）。考慮到該體系中適中的磁化翻轉場以及磁化構型對外場的靈敏響應，該結果將賦予其在生物檢測及自旋電子學器件領域具有應用前景。

 

 

圖三：基於CRTO非磁層的人工反鐵磁體的拓展：（A）兩個人工反鐵磁基本單元（N=2）的鐵磁型疊加；（B）LSMO/CRTO（N=8）人工反鐵磁晶體磁性表徵

 

《Science》雜誌的審稿人評價稱：「這是一項非常高水準的實驗工作」（The experimental work is of very high standard）,「當前研究在樣品質量和表徵上堪稱絕技」

（The present study more generally is a tour de force in terms of sample quality and 

sample characterization）。

「我認為這些結果非常有趣且潛在地開闢了研究其它氧化物多層膜的一個新方向」（I find these results very interesting and potentially opening a new direction of research for other oxide multilayers）。 

　　　　　　　 

該工作受到國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃、以及合肥大科學中心的項目資助。

 

論文連結：

http://science.sciencemag.org/content/sci/357/6347/191.full.pdf

 

（合肥微尺度物質科學國家實驗室、科研部）