Forschungsfortschritt zum Mechanismus der topografischen Magnetstruktur der Grenzfläche zwischen Graphen und ferromagnetischem Metall

Das magnetische Sigmoid, eine topologisch geschützte magnetische Wirbelstruktur (Abbildung 1), ist nanoskalig, nichtflüchtig und leicht zu steuern. Es eignet sich daher ideal für die Speicherung von Informationen, logische Operationen oder neuronale Netzwerktechnologien. Das Feld ist ein Hot Spot aus der Forschung der Spintronik in den letzten Jahren. Die Anwendung magnetischer Sigmoide in Spintronikgeräten muss jedoch Probleme wie Stabilität bei Raumtemperatur, kontrollierbares Lesen und Schreiben, hohe Dichte und Kompatibilität mit aktuellen magnetischen Speicherstrukturen lösen. Die physikalische Essenz der Lösung der obigen Probleme besteht darin, eine geeignete Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) und eine senkrechte magnetische Anisotropiematerialstruktur zu finden.

Abb.1 Schematische Darstellung der magnetischen Sigmoidstruktur und der Co (Ni) / Graphen-Struktur

Hongxin Yang, ein Forscher am Institut für Werkstofftechnologie und -technik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, arbeitet seit 2012 an DMI. Er hat mit Professor Mairbek Chshiev, Professor Andrea Thiaville und dem Nobelpreisträger Albert Fert zusammengearbeitet, um eine methodenbasierte Methode zu entwickeln auf First-Principles-Computing-Schnittstellen DMI. Das physikalische Bild der Grenzfläche zwischen ferromagnetischem Metall und Schwermetall, Fert-Levy-Typ-DMI, wurde erfolgreich aus der Perspektive der ersten Prinzipien gezeigt (siehe Abbildung 2 links) [HYetetal.Phys.Rev.Lett.115,267210 (2015); O. Bullle, J. Vogel, HYetal. NatureNanotech. 11, 449 (2016)] ist die Grenzfläche zwischen ferromagnetischem Metall und Schwermetall ebenfalls das am besten untersuchte System der aktuellen topologischen Magnetstruktur. Der Fert-Levy-Mechanismus erfordert jedoch ein nichtmagnetisches Substrat, um einen starken SOC zur Erzeugung eines großen DMI bereitzustellen (wie in gezeigt) Oben links in Abbildung 2) wird die Wahl des Substratmaterials aus 5d und anderen Schwermetallmaterialien getroffen, und das Vorhandensein von Schwermetallen beeinflusst im Allgemeinen die Lese- und Schreibeffizienz von Speichervorrichtungen und ist ein in der Industrie üblicherweise verwendeter magnetischer Tunnel . Die Junction-Speicherstruktur ist nicht kompatibel, was den Herstellungsprozess kompliziert. Daher wird es zu einem der Feldprobleme, die Begrenzung von Schwermetallen zu durchbrechen, dh den Fert-Levy-Mechanismus zu durchbrechen, um einen größeren DMI zu erzielen.

Abbildung 2 DMI, verursacht durch DMI vom Fert-Levy-Typ und Rashba-Effekt

Um dieses Problem zu lösen, haben Hongxin Yang und seine Mitarbeiter die Grenzfläche zwischen ferromagnetischem Metall und Graphen eingehend untersucht. Die Struktur ist in Abbildung 1 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass die Grenzfläche zwischen Einzelschicht-Co und Graphen DMI bis zu 1,14 meV induzieren kann. Die Grenzfläche zwischen den drei Schichten von Co und Graphen kann DMI mit einer Stärke von 0,49 meV induzieren, und ihre Stärke kann mit der einiger DMI-Grenzflächen zwischen ferromagnetischem Metall und Schwermetall verglichen werden. Interessanter ist, dass sich der physikalische Mechanismus des Systems völlig von Fert-Levy unterscheidet. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, ist DMI vom Typ DMI in der Co / Pt-Struktur die größte in der Co-Schicht der ferromagnetischen Grenzflächenschicht, und ihre Energiequelle, dh die SOC-Energie, stammt nicht von der Co-Schicht, sondern von die Grenzfläche der Edelmetall-Pt-Schicht; In Graphen / Co befinden sich sowohl DMI- als auch SOC-Energie in der Co-Schicht. Der physikalische Ursprung des Unterschieds liegt darin, dass das DMI an der Grenzfläche von Graphen / Co das durch den Rashba-Effekt induzierte DMI ist (wie in Abbildung 2 gezeigt) und die Co / Pt-Grenzfläche Fert ist. -Levy Typ. Um den durch den Rashba-Effekt induzierten DMI zu verifizieren, berechneten Hongxin Yang und seine Mitarbeiter die Variation des Energiebandes in verschiedenen magnetischen Richtungen nach ersten Prinzipien und berechneten den Rashba-Koeffizienten. Die DMI-Größe wurde aus dem Rashba-Koeffizienten zu 0,18 meV berechnet, und das erste Prinzip wurde verwendet. Die berechneten 0,49 meV liegen in der gleichen Größenordnung (Abb. 3) [HYetal. NatureMaterials (2018) doi: 10.1038 / s 41563-018-0079-4].

Abbildung 3 berechnet den DMI, der durch den Rashba-Effekt der Graphen / Co-Grenzfläche verursacht wird

Im Einklang mit theoretischen Berechnungen haben Dr. Chen Gong (Mitautor dieser Arbeit) und Professor Andreas Schmid vom Lawrence Berkeley National Laboratory den DMI an der Co / Graphen-Grenzfläche unabhängig voneinander experimentell gemessen. Wie in 4 gezeigt, beträgt der DMI -0,05 meV an der Ru / Co-Grenzfläche und 0,11 meV an der Ru / Co / Graphen-Doppelschnittstelle. Das DMI der Co / Graphen-Grenzfläche kann mit 0,16 meV berechnet werden, und das erste Prinzip wird verwendet. Es stimmt gut mit dem durch den Rashba-Effekt berechneten DMI überein.

Fig. 4 Experimente zur Untersuchung der Änderungen der magnetischen Domäne von Ru / Co / Graphen und Ru / Co durch SPLEEM, Grenzflächen-DMI und dann Erhalten der Co / Graphen-Grenzflächen-DMI

Wenn man bedenkt, dass die DMI-Chiralität an der Graphen / Co-Grenzfläche in der Graphen / Ni-Struktur gegen den Uhrzeigersinn ist, ist das DMI im Uhrzeigersinn, wenn die Ni-Dicke weniger als 2 Atomschichten beträgt, so dass das Grephen / Ni umgekehrt gestapelt werden kann zu Ni / Graphen, um seine DMI-Chiralität umzukehren, wodurch die Verbesserung von DMI in der Graphen / Co / Ni / Graphen-Mehrschichtstruktur realisiert wird. Interessanterweise unterscheidet sich auch die senkrechte magnetische Anisotropie in dieser Struktur. Mit zunehmender Anzahl von Übergängen reguliert das Mehrschichtstapeln gleichzeitig die senkrechte magnetische Anisotropie und DMI und bietet somit mehr Optionen für die Regulierung topologischer magnetischer Strukturen (wie in Abbildung 5 gezeigt).

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5Co (Ni) / Graphen-Grenzflächen-DMI mit Änderung der Dicke der ferromagnetischen Schicht (links), Graphen / Co / Ni / Graphen-Mehrschichtfilm mit DMI und PMA-Änderung mit Heteroübergang (rechts)

Zusammenfassend kann die Grenzfläche zwischen Graphen und ferromagnetischem Metall einen großen DMI erzielen, der sich vom Fert-Levy-Modell unterscheidet. Der physikalische Mechanismus wird durch den Rashba-Effekt induziert, der die Abhängigkeit des Grenzflächen-DMI von Schwermetallen aufhebt. Wenn man bedenkt, dass die Co / Graphen-Grenzfläche auch eine große senkrechte magnetische Anisotropie aufweist [HYetal.Nanoletters 16, 145 (2015)] und beide leicht in der Co / Graphen-Grenzfläche eingestellt werden können, ist absehbar, dass die Reihe funktioniert . Es bietet mehr Möglichkeiten für die wissenschaftliche Erforschung und Anwendung von Spintronik und Spintronik in der Graphenspintronik und topologischen Magnetstrukturen.

Die Arbeitstheorie wurde teilweise von Yang Hongxin und der Universität von Grenoble in Frankreich, dem französischen Nationalen Wissenschaftlichen Forschungszentrum und dem Französischen Institut für Atomenergie, dem SPINTEC-Laborprofessor Mairbek Chshiev, dem Französischen Nationalen Wissenschaftlichen Forschungszentrum und dem Thales Joint Physics Laboratory Professor vervollständigt Albert Fert. Chen Gong und Andreas Schmid und andere Kooperationen abgeschlossen. Die Arbeit wurde vom Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union (Graphen-Flaggschiff) und dem französischen Projekt ANRULTRASKY, SOSPIN, Genci-Cines, dem US-amerikanischen Wissenschaftsamt, dem Amt für grundlegende Energiewissenschaften, dem DOE und dem Amt des Präsidenten Multicampus Research unterstützt Programme und Initiative sowie das Youth 1000-Projekt der Zentralorganisation und das Ningbo 3315-Projekt.

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