反鐵磁多層膜全電學調控實現

安徽大學王守國教授團隊實現了外延應力下超薄反鐵磁多層膜中垂直交換偏置的全電學調控。相關研究成果日前發表在《自然·通訊》上。

交換偏置效應起源于鐵磁/反鐵磁界面處的交換相互作用，體現為磁滯回線沿外磁場方向的偏移。其在具有垂直磁各向異性的多層膜體系中的有效調控，對于構建高密度、高速度及高能效的新型磁存儲和邏輯器件具有重要意義。

作為傳統的調控手段，通過“場冷過程”實現釘扎方向的重新取向需要外磁場參與，并提升器件溫度，不利于實際應用。而通過電流驅動交換偏置的翻轉則成為更加理想的手段。但此前在具有垂直磁各向異性的多層膜體系中，該過程始終依賴于外磁場。因此，如何實現交換偏置效應的“全電學調控”就成為基于反鐵磁多層膜體系構建新型自旋電子學器件的關鍵問題之一。

基于此，王守國教授團隊利用超高真空分子束外延系統，成功制備具有垂直磁各向異性的單晶外延多層膜。該體系在反鐵磁層厚度僅為2納米時仍具有較強的室溫交換偏置效應。此外，研究團隊通過多種晶體結構表征技術手段并結合微磁學模擬揭示了單晶層中外延應力的各向異性，是在室溫下形成較強交換偏置效應的主要原因，并以此為基礎進一步優化樣品結構，實現了垂直交換偏置效應的全電學調控。

據了解，這項研究工作為單晶薄膜材料的高質量制備打下了基礎，在闡明相關物理機制的同時，為電學調控反鐵磁多層膜材料及器件的關鍵特性提供了可行的技術方案。