调控二维磁性异质结中的交换偏置效应对于高性能与高稳定性存储材料应用意义

发布人：发布时间：2024-04-01 文字：大中小

调控二维磁性异质结中的交换偏置（Exchange Bias)效应对于高性能与高稳定性存储材料应用的意义

交换偏置（EB）效应是磁数据存储中开发高灵敏度、高稳定性和高密度的自旋电子器件的核心工作原理之一。近年来，二维范德瓦尔斯磁性材料因在自旋电子学和磁存储等方面具有良好的应用前景受到广泛关注。但弱的交换偏置场、低的截止温度以及单调的调制手段，严重限制了交换偏置效应在范德瓦尔斯自旋电子器件中的应用。
本文使用了激光冲击过程（Laser Shocking Processing)来调节二维异质结材料中的范德华空隙，并且通过自建的高灵敏度磁光克尔（MOKE）光谱系统，给出了不同温度和磁场情况下基于磁光Kerr效应的磁滞回线数据，揭示出交换偏置EB（从29.2mT到111.2mT）和截止温度（从20K-110K）都得到显著提升的结果，联合其他的检测手段例如Raman光谱，AFM和SEM等，揭示了调控现象的产生机理，*后基于测试结果实现了性能增强的自旋阀器件。本文的发现为利用和调制带有强层间耦合的磁性范德华异质结结构提供了很大的想象空间与机会，因此为未来的二维自旋器件的定制化提供了一定的可能性。

交换偏置效应及其模型

交换偏置效应（Exchange Bias）是一类广泛存在于铁磁/反铁磁材料界面处的效应，在发展高灵敏度和高密度的磁数据存储自旋器件中发挥着极其重要的作用。
交换偏置效应宏观上表现为磁滞回线相对于零场的偏移，微观上交换偏置来源于界面未补偿磁矩的交换耦合。如下图所示，没有外场时，反铁磁层的磁矩杂乱排布。当温度降低到反铁磁奈尔温度以下，反铁磁层磁矩有序排列。在不同外场下，反铁磁层的各向异性较大，不随外场而变化，但铁磁层会随外场翻转而发生反转。界面反铁磁层会对界面铁磁层产生钉扎作用，使得铁磁层的磁矩必须克服这一钉扎作用才能发生反转。这种钉扎作用具有单向各向异性，使铁磁层在反转过程中变得不对称，表现为宏观磁滞回线相对于零场的偏移。

图：交换偏置效应原理图

关于交换偏置效应的解释，目前主流包括以下几种模型：

Meiklejohn‒Bean 模型
Neel模型
随机场模型

同时，截止温度、薄膜厚度、冷场和磁锻炼效应都有可能对交换偏置产生影响，本文对于截止温度，薄膜厚度等相关参数都进行了相关的研究。

二维范德华异质结中的范德华间隙调控与相应的LS方法

通过LS方法得到增强的交换偏置效应相关数据

磁光克尔（MOKE）相关数据

目前北京卓立汉光仪器有限公司与本文作者戴宏伟博士所在湖北众韦光电科技有限公司基于共同的理念和目标，决定在磁光设备领域开展深入合作。合作旨在为广大国内外用户在MOKE和RMCD等相关磁光设备上提供相应的标准系统与搭建协助。
我们将致力于为用户提供更加稳定、可靠、高效的磁光设备标准系统，并提供全面的搭建协助和技术支持。诚挚地欢迎产品垂询，共同探索磁光技术的未来可能。

作者简介

戴宏伟，华中科技大学电气硕士，光学博士。目前就职于湖北众韦光电科技有限公司，在微区成像、共聚焦PL/Raman、荧光寿命、磁光克尔等系统设计和应用上具有丰富的经验，在国际期刊《ACS NANO》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Advanced Electronic Materials》等期刊发表多篇论文。

微区磁光克尔及磁圆二色测试系统、全自动显微角分辨光谱及成像系统

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