[论文解读] Mn4N ferrimagnetic thin films for sustainable spintronics

Toshiki Gushi, Klug, M. Jovičević+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

ZnO doping and properties参考文献 8被引用 3

一句话总结

该论文表明，外延生长在SrTiO3衬底上的Mn4N薄膜是稀土元素和重金属基自旋电子学材料的可持续替代品，表现出垂直磁化、高达2%的异常霍尔角以及由自旋极化电流驱动的高迁移率畴壁，且无需自旋轨道扭矩。关键成果是得益于高自旋极化率和磁化强度降低，实现了由绝热自旋转移扭矩驱动的创纪录畴壁速度（约1 km/s）。

ABSTRACT

Spintronics, which is the basis of a low-power, beyond-CMOS technology for computational and memory devices, remains up to now entirely based on critical materials such as Co, heavy metals and rare-earths. Here, we show that Mn4N, a rare-earth free ferrimagnet made of abundant elements, is an exciting candidate for the development of sustainable spintronics devices. Mn4N thin films grown epitaxially on SrTiO3 substrates possess remarkable properties, such as a perpendicular magnetisation, a very high extraordinary Hall angle (2%) and smooth domain walls, at the millimeter scale. Moreover, domain walls can be moved at record speeds by spin polarised currents, in absence of spin-orbit torques. This can be explained by the large efficiency of the adiabatic spin transfer torque, due to the conjunction of a reduced magnetisation and a large spin polarisation. Finally, we show that the application of gate voltages through the SrTiO3 substrates allows modulating the Mn4N coercive field with a large efficiency.

研究动机与目标

• 开发一种可持续的替代方案，以替代自旋电子学器件中关键的钴、重金属和稀土元素材料。
• 研究外延Mn4N薄膜的磁学与输运特性，以适用于自旋电子学应用。
• 在Mn4N/SrTiO3异质结构中，通过栅压实现磁各向异性电场调控的演示。
• 评估在无自旋轨道扭矩条件下，自旋极化电流注入对畴壁动力学的影响。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法在SrTiO3 (001) 衬底上外延生长Mn4N薄膜。
• 利用SQUID磁强计和振动样品磁强计表征磁各向异性和磁化强度。
• 通过测量异常霍尔效应以确定霍尔角和自旋极化率。
• 利用自旋极化电流注入和实时成像技术探测畴壁运动。
• 通过SrTiO3衬底施加栅压，调节Mn4N的矫顽场。
• 基于绝热自旋转移扭矩模型的理论分析，用于解释高域壁速度的机理。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn4N薄膜能否表现出适合自旋电子学器件的垂直磁各向异性？
• RQ2 Mn4N中的异常霍尔角大小是多少？其对自旋极化率意味着什么？
• RQ3 在仅使用自旋极化电流而无自旋轨道扭矩的情况下，能否实现Mn4N中畴壁的高速运动？
• RQ4 通过在SrTiO3衬底上施加栅压，Mn4N的矫顽力可被调节到何种程度？
• RQ5 Mn4N中磁化强度降低与高自旋极化率的结合，如何增强绝热自旋转移扭矩的效率？

主要发现

• Mn4N薄膜表现出垂直磁各向异性，具有明确的面外磁化方向。
• 异常霍尔角达到2%，表明该材料具有高自旋极化率。
• 在自旋极化电流注入下，Mn4N中的畴壁可实现高达约1 km/s的创纪录速度，且无需自旋轨道扭矩。
• 高畴壁迁移率归因于强绝热自旋转移扭矩，其源于高自旋极化率与磁化强度降低的协同作用。
• 通过SrTiO3衬底施加的栅压可高效调节Mn4N的矫顽力，证明了电场对磁各向异性的调控能力。
• 系统在毫米尺度上表现出平滑的畴壁，表明钉扎效应低且材料质量高。