鐵磁材料中的垂直磁各向異性（PMA）和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）是實(shí)現(xiàn)高效自旋電子器件的關(guān)鍵參量。增強(qiáng)鐵磁材料PMA的傳統(tǒng)方法有：構(gòu)建具有大的自旋軌道耦合（SOC）強(qiáng)度的重金屬（HM）-鐵磁界面或者構(gòu)建氧化物-鐵磁金屬界面。提升鐵磁金屬體系的DMI同樣需要具有較大的SOC，兼需空間反演對(duì)稱破缺的界面，因此，重金屬Pt、Ir等常被用來與鐵磁金屬構(gòu)建界面從而調(diào)控DMI。與傳統(tǒng)的重金屬材料相比，氧化物材料具有一些特殊的自由度，例如復(fù)雜氧化物的終端和鐵電氧化物的極化。因此，通過構(gòu)建不同終端的鐵電氧化物與鐵磁金屬的界面，有希望利用新的自由度來實(shí)現(xiàn)PMA和界面DMI的調(diào)控。
近日，新加坡國立大學(xué)教授陳景升團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所量子功能材料團(tuán)隊(duì)研究員楊洪新等，針對(duì)鐵電氧化物與鐵磁金屬界面展開研究并取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用鐵電材料BaTiO3（BTO）作為氧化層，合成兩種不同終端即BaO-和TiO2-的BTO薄膜，探究氧化物/鐵磁金屬界面中的PMA和DMI，從實(shí)驗(yàn)和理論上闡明氧化物終端和極化對(duì)PMA和DMI的調(diào)控作用。
理論研究表明，F(xiàn)e在BaO-BTO和TiO2-BTO兩種結(jié)構(gòu)中的磁各向異性（MAE）分別為1.00和0.38 mJ/m2，與實(shí)驗(yàn)中的界面各向異性常數(shù)（Ki）相吻合。二階微擾理論說明兩種終端不同的MAE是由Fe的dxy與dx2-y2軌道雜化決定（圖1），從而使BaO-BTO/Fe表現(xiàn)為PMA，TiO2-BTO/Fe表現(xiàn)為IMA。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，BTO/Fe/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)中TiO2-和BaO-終端的DMI分別為5.09和8.39 mJ/m2，與實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的不同終端的DMI大小關(guān)系相吻合。計(jì)算結(jié)果表明，BTO/Fe/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的DMI主要來源于BTO/Fe和Fe/Pt這兩個(gè)界面的競(jìng)爭(zhēng)。更進(jìn)一步，研究人員通過對(duì)于不同極化界面的計(jì)算，闡明BTO層的不同終端而并非極化在BTO/Fe界面的PMA和DMI調(diào)控過程中起主要作用。該工作證明氧化物終端對(duì)于鐵磁金屬PMA與DMI的調(diào)控作用，從而為PMA和DMI的調(diào)控提供新路徑，并為低功耗的自旋電子學(xué)器件設(shè)計(jì)提供新思路。相關(guān)研究成果以Perpendicular Magnetic Anisotropy and Dzyaloshinskii-Moriya Interaction at an Oxide/Ferromagnetic Metal Interface為題，發(fā)表在Physical Review Letters 124,217202(2020)上。
寧波材料所量子功能材料團(tuán)隊(duì)楊洪新研究員等基于第一性原理系統(tǒng)研究石墨烯/鈷界面結(jié)構(gòu)中石墨烯表面氫濃度對(duì)DMI的影響。研究發(fā)現(xiàn)，吸附不同濃度氫的石墨烯/鈷界面DMI隨鈷層厚度增加呈周期性震蕩并在鈷厚度為5層時(shí)趨于穩(wěn)定；DMI的強(qiáng)度隨氫濃度的增加而改變，某些情況下甚至改變手性（圖2）。通過計(jì)算鈷的d軌道態(tài)密度并結(jié)合一階微擾理論可知，鈷dxy與dz2軌道占據(jù)態(tài)的變化導(dǎo)致DMI的改變（圖3）。該研究為調(diào)控DMI的強(qiáng)度乃至手性提供有效路徑。相關(guān)研究成果以Reversible control of Dzyaloshinskii-Moriya interaction at the graphene/Co interface via hydrogen absorption為題，發(fā)表在Physical Review B 101,104406(2020)。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、中科院原始創(chuàng)新0-1項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金、歐洲Graphene Flagship等的資助，并得到寧波材料所超算平臺(tái)對(duì)計(jì)算工作的支持。
圖1.（a）和（b）分別為TiO2-BTO/Fe和BaO-BTO/Fe結(jié)構(gòu)圖，黃色、綠色、藍(lán)色和紅色分別表示Fe、Ba、Ti和O原子；（c）和（d）分別為TiO2-和BaO-終端中Fe原子態(tài)密度；（e）和（f）分別為TiO2-和BaO-終端中Fe原子軌道分辨MAE
圖2.（a） Co(4ML)/Gr-4/8H的CW和ACW示意圖，箭頭表示旋轉(zhuǎn)方向；（b）表示不同氫濃度DMI對(duì)Co層厚度的變化；（c）Co/graphene和Co/graphene-4/8H中與DMI相關(guān)的SOC能量隨Co厚度的變化；（d）不同氫濃度下Co原子的平均磁矩隨厚度的變化
圖3.（a）-（d）分別表示不同氫濃度的石墨烯/Co界面中Co原子態(tài)密度；（e）和（f）分別表示Co/graphene和Co/graphene-4/8H兩種結(jié)構(gòu)的能級(jí)示意圖
來源：中科院官網(wǎng)
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