安徽大学：磁性材料与存储器件研究获进展

2022-03-29 10:05:26 来源：材料十

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简介：近期，新型磁性材料与存储器件研究团队利用聚焦离子束微纳器件制备和原位洛伦兹电镜表征技术，首次实现了纳米条带存储器件结构单元中电流诱导磁斯格明子（skyrmion）的写入、删除及寻址一体化精准操控，为构筑拓扑磁性存储器提供了原理性支撑。

近期，新型磁性材料（第八届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会暨2022中国结构材料大会）与存储器件研究团队利用聚焦离子束微纳器件制备和原位洛伦兹电镜表征技术，首次实现了纳米条带存储器件结构单元中电流诱导磁斯格明子（skyrmion）的写入、删除及寻址一体化精准操控，为构筑拓扑磁性存储器提供了原理性支撑。相关研究成果以“Electrical manipulation of skyrmions in a chiral magnet”为题发表在《Nature communications》上，安徽大学为第一通讯单位，安徽大学物质科学与信息技术研究院王伟伟副教授为论文第一作者，物质科学与信息技术研究院宋东升教授、双聘教授杜海峰研究员、美国新罕布什尔大学臧家栋教授为论文共同通讯作者，物质科学与信息技术研究院电镜中心葛炳辉教授和物理与光电工程学院田明亮教授为论文的合作者。

信息存储是当前大数据技术、人工智能、5G通讯的基石，是大国科技竞争的焦点、国家战略部署的核心技术之一。磁性材料（第八届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会暨2022中国结构材料大会）储存了全球约70%的数据，是信息战中的关键材料。但传统的磁存储技术由于现有磁性材料的超顺磁极限等限制，已经趋于密度和速度极限。寻找新型磁性材料以构筑高性能磁存储器已经发展成国家信息材料领域的重大需求。2009年，德国科学家在一类手性金属磁性材料中，发现一种具有非平庸拓扑特性的磁结构，称之为磁斯格明子。其具有尺寸小、稳定性高、电流易操控等优点，有望作为下一代数据载体，构筑突破传统磁存储技术限制的磁电子学器件。

磁斯格明子存储器的设计方案早在2013年就已被提出【J. Iwasaki et al., Nat. Nanotechnol. 8, 742 (2013)】，但在实验上遇到了极大挑战。其关键在于器件设计要在纳米条带边缘制备一个与单个磁斯格明子大小和形状均可比拟的几何缺口，以实现拓扑磁存储的写入和擦除功能。然而，利用传统技术制备的纳米条带厚度和形状不均匀，导致驱动磁斯格明子运动所需电流密度大且不均匀，会产生高的焦耳热效应，导致磁斯格明子可控性差。同时，用传统技术制备出的缺口特征尺寸在微米量级，远大于理论设计尺寸，使得磁斯格明子产生极不可控。以上原因导致在一个纳米器件结构单元中同时实现数据的写、擦除及寻址三个功能一直无法实现。

针对这些问题，研发团队设计并研制出易于精细加工纳米微结构的透射电镜原位加电芯片，扩展了洛伦兹透射电镜原位加电功能。同时，基于前期聚焦离子束样品制备技术的积累，制备出厚度均匀、表面平整的器件CoZnMn纳米结构单元，并控制边缘缺口的尺寸（~ 280 nm）和CoZnMn中单个磁斯格明子大小可比拟（~ 110 nm），实现了电流脉冲诱导的磁斯格明子产生和写入。通过控制脉冲的宽度及电流密度实现了产生磁斯格明子的步进运动寻址。实验还发现可以通过控制电流脉冲方向，利用边缘缺口消除斯格明子，最终在一个器件结构单元中实现了磁斯格明子产生、擦除和驱动运动一体化电操控，展示了原理性器件写、擦除和寻址功能。

实验发现：写入电流密度最低为 ~3.5×1010A/m2、擦除电流密度最低为 ~1.2×1010A/m2、寻址电流密度最低为 ~0.5×1010A/m2。这些值比操控传统磁畴所需的纳米脉冲电流密度低1-2个数量级，展示了磁斯格明子赛道原理性存储器的低能耗优势。