【摘 要】
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随着信息通信技术的不断创新,大数据、社交媒体、物联网和云计算等所产生的信息量迅速增长。“信息爆炸”使得尺寸更小、功耗更低、处理速度更快这三项指标成为引领电子产品发展的重要方向。与半导体器件相比,新型自旋电子学器件在信息存储方面具有非易失性、容量更大、速度更快、能耗更低等显著优势,可为满足上述需求提供更为广阔的前景,而作为其主要构成的磁性薄膜因此成为人们研究的热点。本论文以铁基单晶磁性薄膜为核心研究
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随着信息通信技术的不断创新,大数据、社交媒体、物联网和云计算等所产生的信息量迅速增长。“信息爆炸”使得尺寸更小、功耗更低、处理速度更快这三项指标成为引领电子产品发展的重要方向。与半导体器件相比,新型自旋电子学器件在信息存储方面具有非易失性、容量更大、速度更快、能耗更低等显著优势,可为满足上述需求提供更为广阔的前景,而作为其主要构成的磁性薄膜因此成为人们研究的热点。本论文以铁基单晶磁性薄膜为核心研究体系,分别以具有面内磁各向异性的单晶Fe/Co多层膜和具有垂直磁各向异性的L10-FePt合金薄膜为切入点,着眼于表面重构对体系磁性能的调控、外延结构FePt合金薄膜中的自旋输运特性与深紫外激发下的磁线二色效应等,围绕材料制备、机制探索和器件设计三个方面展开研究。主要工作内容和创新成果总结如下:（1）利用具有温度依赖特性的表面重构实现对单晶Fe/Co双层膜体系磁各向异性的调控。利用单晶Fe薄膜中的表面重构现象,系统地研究不同Co层厚度下表面重构对体系磁各向异性的影响,构建了磁各向异性与表面/界面重构的关联,并通过分离Fe/Co双层膜磁各向异性中的体贡献和界面贡献阐明了表面重构对Fe/Co界面各向异性的增强,进而实现体系磁各向异性的有效调控。（2）以外延L10-FePt/Cr薄膜作为核心体系,结合具有强轨道霍尔效应的3d金属Cr实现高效的电流诱导磁矩翻转。利用电流注入Cr层激发产生的轨道流,通过FePt层实现高效的轨道流-自旋流转化,从而驱动FePt自身磁矩翻转。实验证明,与具有强自旋霍尔效应的重金属相比,该结构中电流驱动磁矩翻转需要的电流密度降低了 69%。（3）在单晶L10-FePt单铁磁层结构体系中分别通过Cr元素掺杂以及局域电流退火的方式实现其不依赖于外磁场的电流驱动磁矩翻转。在保证L10有序结构的前提下,Cr掺杂后的L10-FeCrPt结构会诱导产生面内交换耦合场,打破器件面内反演对称性,进而通过自旋轨道矩效应实现磁矩不依赖于外磁场的定向翻转并结合理论计算对比相关物理机制予以阐明。通过局域电流退火的方法,设计出纵向Fe成分梯度反对称的器件构型,打破面内反演对称性,有效地实现L10-FePt单层膜结构无外磁场下的电流驱动磁矩翻转。这两部分工作为实现单铁磁层中自旋轨道矩在无外磁场下驱动磁矩翻转提供了思路,为高能效自旋电子学器件的构建提供了新的技术路线。（4）在具有（001）与（111）双取向外延结构的FePt薄膜中使用线偏振态的深紫外激光对其过渡区域的磁线二色效应进行研究。通过对比具有相同晶体结构、磁各向异性不同的CoPt与利用退火温度调控有序结构的形成证明了DUV磁线二色衬度的形成与自旋取向以及有序结构的形成存在重要关联。这对进一步理解价带电子激发中磁线二色效应的起源具有重要意义。
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