刘知琪教授、蒋成保教授等在磁存储材料研究方面取得的新进展

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近期，北京航空航天大学材料科学与工程学院磁性功能材料研究团队刘知琪教授、蒋成保教授等在磁存储材料研究方面取得进展，相关成果于1月19日以全文Article的形式在《Nature》杂志上发表，论文题目为：“Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction”。北航材料学院博士生秦培鑫为第一作者，北京航空航天大学材料科学与工程学院为第一单位，刘知琪教授、蒋成保教授为第一单位通讯作者，华中科技大学物理学院张佳副教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所加工平台曾中明研究员为合作单位及通讯作者。
         磁性材料是一类重要的功能材料，它是航空航天、信息通信、智慧城市等高技术领域的核心材料之一。早在战国时期，我国古代劳动人民就利用天然磁石发明了用于辨识方向的天然磁石勺——“司南”；在第二次工业革命的电气化时代，磁性功能材料是发电机、电动机的机/电能量转换不可或缺的关键材料；在第三次工业革命的信息化时代，磁性功能材料是大规模数据存储机械硬盘的核心材料。
         相比传统半导体材料及器件，基于电子自旋属性的磁存储材料及器件，在空天特种服役环境下具有耐辐照优势，对于我国航空航天信息技术的发展具有重要的战略意义。反铁磁材料是一类新型磁存储材料，作为数据存储介质，相邻数据位可以密排列以提升存储密度，并且反铁磁材料的自旋动力学更快，有望实现新一代超高速磁存储。
        已有反铁磁存储器件的电信号输出，主要依赖面内电子输运的各向异性磁电阻效应，室温下一般仅能达到～0.1%，难以满足商业化磁存储器件应用需求。针对这一关键难题，北航材料学院磁性功能材料团队突破了原子级平整反铁磁金属单晶薄膜的关键制备技术，通过界面应力诱导非共线反铁磁单晶薄膜的晶格四方度变化，产生了单轴磁各向异性，以及显著的反常霍尔效应。基于该反常霍尔效应，实验发现了全反铁磁异质界面（共线反铁磁/非共线反铁磁）的交换偏置效应，从而设计制备出多层膜全反铁磁隧道结（all-antiferromagnetic tunnel junction - AATJ）新器件（图1），在国际上首次实现了全反铁磁隧穿磁电阻效应，室温磁电阻最高可达100%（图2）。

图1：全反铁磁隧道结（AATJ）多层膜结构示意图

图2：全反铁磁隧道结微结构及功能特性。a.纳米尺度全反铁磁隧道结器件示意图；b.全反铁磁隧道结阵列光学显微图；c.室温隧穿磁电阻效应；d.隧穿磁电阻随温度的变化

相比原有面内电子输运的反铁磁存储器件，这项研究实现了反铁磁隧道结垂直电子输运，室温电信号输出提升了近3个数量级，从而使超快速响应超高密度反铁磁随机存取存储器（antiferromagnetic RAM – ARAM，图3所示）的研制成为可能。

图3：多层堆叠、密排列的全反铁磁随机存取存储器ARAM的展望示意图

        该项研究工作得到了国家自然基金“新型磁性功能材料”创新研究群体项目（52121001）及面上项目（52271235、12174129、11974379）的资助。
        论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05461-y
        文章来源：北京航空航天大学
        刘知琪，男， 北京航空航天大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2009年本科毕业于兰州大学物理学国家基地班磁学专业，2013年在新加坡国立大学获得凝聚态物理博士学位。先后在美国橡树岭国家实验室和加州大学伯克利分校从事铁电多铁材料及存储器件博士后研究，继而在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室担任“主任博士后”从事拓扑重费米子体系磁性和超导研究。
        蒋成保，男，安徽无为县人，1968年生。教授、博士生导师、北京航空航天大学材料科学与工程学院院长。1990年于合肥工业大学材料系获学士学位，1996年于北京科技大学材料系获得博士学位。爱尔兰Trinity College访问学者和英国伯明翰大学高级研究学者。2009年度国家杰出青年基金获得者， 2011年度获批教育部“长江学者特聘教授”。 一直从事磁致伸缩材料、稀土永磁材料、磁性形状记忆合金和金属功能晶体生长方面的研究，作为项目负责人承担过国家自然基金重点基金、国家自然基金杰出青年基金和国家“973”课题等。已在Nature子刊、Acta Mater和APL等期刊上发表SCI论文100余篇，SCI他引近1000次，获授权国家发明专利20余项，做国际会议邀请报告10余次。获北京市教学成果一等奖、教育部自然科学一等奖、国防技术发明一等奖和国家技术发明一等奖各1项。 中国材料研究学会青年委员会常务理事、中国稀土学会理事、中国稀土学会固体新材料专业委员会委员、中国电子学会应用磁性分会委员会委员、《稀有金属》和《稀土》期刊编委等。