石墨烯和鐵磁金屬界面可以實(shí)現(xiàn)大的DMI
石墨烯和鐵磁金屬界面可以實(shí)現(xiàn)大的DMI
磁斯格明子，一種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的磁渦旋結(jié)構(gòu)（如圖1），因其可以做到納米尺寸、非易失且易驅(qū)動(dòng)從而非常適合應(yīng)用在信息存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域，是近些年來(lái)自旋電子學(xué)研究的熱點(diǎn)。然而要實(shí)現(xiàn)磁斯格明子在自旋電子學(xué)器件上的應(yīng)用還要解決諸如其室溫下的穩(wěn)定性、可控讀寫、高密度以及與當(dāng)前磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)兼容等諸多問(wèn)題。解決上述問(wèn)題的物理本質(zhì)是找到適宜的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）及垂直磁各向異性材料結(jié)構(gòu)。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員楊洪新自2012年起就開展DMI方面的工作，曾與Mairbek Chshiev教授、Andrea Thiaville教授以及諾貝爾獎(jiǎng)得主Albert Fert等合作發(fā)展了基于第一性原理計(jì)算界面DMI的方法，成功地從第一性原理角度揭示了鐵磁金屬和重金屬界面Fert-Levy型DMI的物理圖象（如圖2左）[HY et et al.Phys.Rev.Lett.115,267210(2015);O.Boulle,J.Vogel,HY et al.Nature Nanotech.11,449(2016)]，鐵磁金屬與重金屬界面也是當(dāng)前拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)研究最多的體系，然而，F(xiàn)ert-Levy機(jī)制要求非磁襯底提供強(qiáng)SOC才能產(chǎn)生較大DMI（如圖2左上），從而導(dǎo)致襯底材料的選擇要多從5d等重金屬材料中做出，而重金屬的存在，一般會(huì)影響存儲(chǔ)器件的讀寫效率，并與當(dāng)前工業(yè)界普遍使用的磁隧道結(jié)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不兼容，使制造工藝復(fù)雜化，因而如何突破重金屬的限制，即突破Fert-Levy機(jī)制實(shí)現(xiàn)較大DMI，成為該領(lǐng)域的一大難題。
為解決這一問(wèn)題，楊洪新及其合作者對(duì)鐵磁金屬和石墨烯界面進(jìn)行了深入研究，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)現(xiàn)在單層Co與石墨烯界面可以誘導(dǎo)高達(dá)1.14meV的DMI，而三層Co與石墨烯界面則可以誘導(dǎo)強(qiáng)度為0.49meV的DMI，其強(qiáng)度完全可以與部分鐵磁金屬/重金屬界面DMI相比，更為有意思的是，該體系的物理機(jī)制完全不同于Fert-Levy型DMI，從圖2可以看到，在Co/Pt結(jié)構(gòu)中，DMI在界面鐵磁層Co層最大，而其能量來(lái)源，即SOC能量并非來(lái)自Co層，而是來(lái)自界面的貴金屬Pt層；在graphene/Co中，DMI和SOC能量則都在Co層內(nèi)，該差別的物理本源是因?yàn)樵趃raphene/Co的界面DMI是Rashba效應(yīng)誘導(dǎo)的DMI（如圖2右），而Co/Pt界面為Fert-Levy型。為驗(yàn)證Rashba效應(yīng)誘導(dǎo)的DMI，楊洪新與其合作者進(jìn)一步通過(guò)第一性原理計(jì)算了不同磁方向上的能帶變化進(jìn)而計(jì)算出Rashba系數(shù)，從Rashba系數(shù)計(jì)算出DMI大小為0.18meV，與第一性原理計(jì)算所得0.49meV在同一量級(jí)（如圖3）[HY et al.Nature
與理論計(jì)算同步，Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士陳宮（本工作的共同第一作者）和教授Andreas Schmid等在實(shí)驗(yàn)上獨(dú)立測(cè)量到了Co/Graphene界面上的DMI。如圖4所示，在Ru/Co界面，DMI為-0.05meV，而在Ru/Co/graphene雙界面中則為0.11meV，可以計(jì)算出Co/graphene界面DMI為0.16meV，與第一性原理和Rashba效應(yīng)計(jì)算出來(lái)的DMI吻合得很好。
最后，考慮到在graphene/Co界面處的DMI手性為反時(shí)針，而在graphene/Ni結(jié)構(gòu)中，當(dāng)Ni厚度低于2個(gè)原子層時(shí)，其DMI為順時(shí)針，因而可以反轉(zhuǎn)grephene/Ni堆疊結(jié)構(gòu)到Ni/graphene以反轉(zhuǎn)其DMI手性，從而實(shí)現(xiàn)graphene/Co/Ni/graphene多層結(jié)構(gòu)中DMI的增強(qiáng)，更為有意思的是，在該結(jié)構(gòu)中垂直磁各向異性也是隨著異質(zhì)結(jié)數(shù)的增加而增加，實(shí)現(xiàn)了多層堆疊同時(shí)調(diào)控垂直磁各向異性和DMI，從而對(duì)拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了更多選擇（如圖5所示）。
綜上所述，石墨烯和鐵磁金屬界面可以實(shí)現(xiàn)大的DMI，區(qū)別于Fert-Levy模型，其物理機(jī)制是Rashba效應(yīng)誘導(dǎo)的，該結(jié)構(gòu)突破了界面DMI對(duì)重金屬的依賴。另外，考慮到Co/graphene界面還具有巨大垂直磁各向異性[HY et al.Nano letters 16,145(2015)]，而且兩者都可以很容易地在Co/graphene界面得到調(diào)控，可以預(yù)見該系列工作將會(huì)對(duì)石墨烯自旋電子學(xué)和拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)自旋軌道電子學(xué)的科學(xué)研究和應(yīng)用提供更多可能。
該工作理論部分由楊洪新與法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心及法國(guó)原子能中心的SPINTEC實(shí)驗(yàn)室教授Mairbek Chshiev、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心與Thales聯(lián)合物理實(shí)驗(yàn)室教授Albert Fert等合作完成，實(shí)驗(yàn)部分由陳宮和Andreas Schmid等合作完成。該工作得到了European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme(Graphene Flagship)以及法國(guó)ANR ULTRASKY，SOSPIN，Genci-Cines項(xiàng)目、美國(guó)的Office of Science,Office of Basic Energy Sciences,DOE,Office of the President Multicampus Research Programs and Initiative等項(xiàng)目以及中組部青年千人計(jì)劃項(xiàng)目和寧波市3315項(xiàng)目的支持。
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