[发明专利]具有室温拓扑霍尔效应的外延Pt/γ′-Fe4

说明书

本发明涉及一种具有室温拓扑霍尔效应的外延Pt/γ′‑Fe₄N/MgO异质结构及制备方法；通过对向靶磁控溅射法将铁磁性γ′‑Fe₄N薄膜和非磁性重金属层Pt薄膜复合在一起，形成Pt/γ′‑Fe₄N/MgO异质结构，自下而上依次为MgO(001)单晶基片、γ′‑Fe₄N层和Pt层；γ′‑Fe₄N为铁磁层，Pt为非磁性重金属层；在室温300K时，异质结构中除了正常霍尔效应和反常霍尔效应之外还存在拓扑霍尔效应，这在实现高密度、高速度、低能耗磁存储器件中具有重要的应用价值；本发明所采用的对向靶磁控溅射法，可以制备出高质量的单晶外延γ′‑Fe₄N薄膜，薄膜表面平整度高，在工业化生产上具有明显优势。

技术领域

本发明专利涉及一种具有室温拓扑霍尔效应的外延Pt/γ′-Fe₄N/MgO异质结构及制备方法。更具体地，是一种在铁磁薄膜γ′-Fe₄N表面覆盖重金属Pt层，通过减小γ′-Fe₄N厚度来增强 Pt/γ′-Fe₄N界面的Dzyaloshinskii-Mariya(DM)相互作用，并通过界面DM相互作用来诱发铁磁层中的拓扑霍尔效应，从而形成具有拓扑霍尔效应的外延Pt/γ′-Fe₄N薄膜及其制备方法。

背景技术

拓扑霍尔效应是当前磁性斯格明子和自旋电子学研究领域的热点之一。同时，拓扑霍尔效应也是研究DM相互作用的有效手段，可以间接地证明磁性斯格明子的存在。早期人们主要关注具有空间反演对称性的破缺的材料，例如具有非中心对称的B20结构的MnGe、MnSi等材料[PHYSICAL REVIEW LETTERS 106,156603(2011)；PHYSICAL REVIEW LETTERS110, 117202(2013)]。但是，这类材料中的拓扑霍尔效应和磁性斯格明子多数依赖于低温和强磁场条件，不利于拓扑霍尔效应物理机制的研究以及磁性斯格明子的实际应用。近年来，研究者们将目光投到由非磁性重金属(HM)和铁磁性金属(FM)组成的HM/FM异质结构上，希望可以通过改变材料的厚度、界面、周期等条件在室温下调控出稳定的斯格明子，从而实现高密度、高速度、低能耗的磁存储器件。

立方反钙钛矿型γ′-Fe₄N具有结构简单、易制备、抗腐蚀、抗氧化、良好的热稳定性、较高的饱和磁化强度、高的居里温度等优点，这使得其在自旋电子学器件上具有广泛的应用前景。

目前，国际上尚无对Pt/γ′-Fe₄N异质结构的制备及界面DM相互作用诱发的室温拓扑霍尔效应的研究。在可以实现室温拓扑霍尔效应的非磁性重金属/铁磁性金属异质结构中多数是多层堆垛的异质结构[NATURE MATERIALS 898,16(2017)；PHYSICS REPORTS 1,704(2017)； SCIENTIFIC REPORTS 6,32629(2016)]，而研究单层的外延非磁/铁磁性薄膜异质结构的很少，而且较强的拓扑霍尔效应信号原则上可以看作是对磁性斯格明子的电学读取，对基于磁性斯格明子的自旋电子学有着重要的意义。此外，现阶段制备HM/FM异质结构体系多采用磁控溅射技术，且制得的磁性薄膜多由纳米晶或非晶[NATURE MATERIALS15,501(2016)；NATURE PHYSICS 13,162(2016)]构成，所以薄膜中的杂质、缺陷较多，这就使得器件中的驱动电流密度增大，增加了能耗。在HM/FM异质结构中，需要通过减少薄膜中的杂质或缺陷来降低器件中的能耗。

发明内容