前沿| AFM：基于形状记忆效应的应变操控斯格明子产生/湮灭- 大数跨境

两江科技评论

2021-02-23

导读：一种基于形状记忆效应的应变操控斯格明子产生/湮灭的新方法。

磁性斯格明子（skyrmion）是一种具有拓扑保护性质的类涡旋磁畴结构，由于其具有纳米尺寸、高稳定性以及低理论驱动电流密度（~10⁶A/m²）等优点，在未来高密度、低功耗、非易失性的电子器件（如赛道存储器、逻辑计算门和振荡器等）中均具有潜在的应用。

操控磁性薄膜材料中斯格明子的产生和湮灭是促进斯格明子基磁性存储、逻辑器件发展的关键问题之一，目前国际上主要通过外加磁场、电学控制、光/热操控方式来调节磁性薄膜材料中斯格明子形核势垒，进而实现其产生或湮灭。晶格应变是改变材料电子结构的一种有效方法，因此也为调控斯格明子的形核场并进一步构建应变辅助的磁存储、逻辑器件提供了全新的思路。然而，由于常用的应变输出材料存在着有效应变量小或应变易失的问题，因而给非易失地操控斯格明子的产生/湮灭带来了极大的挑战。

近日，北京科技大学材料学院冯春教授和于广华教授联合华南师范大学侯志鹏副研究员和高兴森教授、天津大学米文博教授、兰州大学彭勇教授、中科院半导体所王开友研究员以及南京大学刘俊明教授，在Advanced Functional Materials上发表题为“Field-Free Manipulation of Skyrmion Creation and Annihilation by Tunable Strain Engineering”的研究论文[Adv. Funct. Mater. 2021, 2008715]。

图1.应变调控斯格明子特性：(a) 结构和应变施加示意图。(b) 不同应变作用下[Pt/Co/Ta]₁₂样品的MFM图，标尺为500 nm，红色虚线表示斯格明子开始形核的磁场位置，插图表示条形畴、斯格明子以及铁磁态的自旋排列示意图。(c) 根据MFM结果绘画出的磁场-应变相图。

论文报导了一种基于形状记忆效应的应变操控斯格明子产生/湮灭的新方法：通过温控TiNiNb形状记忆合金基底的相变产生可控的晶格应变（约1%）并作用在[Pt/Co/Ta]n多层膜上，有效地调节薄膜的界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI），进而降低斯格明子的形核势垒；同时，磁弹效应引起薄膜的易磁化轴在面内发生旋转，动力学上为条形畴的断裂并转变为斯格明子提供驱动力，从而显著降低斯格明子的形核场（最大可从400 Oe降低至0 Oe），最终通过可控的应变工程就能在无外场下控制斯格明子的产生和湮灭。而且，上述应变效应在室温下具有非易失性，这为发展低功耗的应变辅助磁存储、逻辑器件提供了一种全新的思路。