近日，中心用户吴文彬教授团队（课题组网站：http://staff.ustc.edu.cn/~wwlab/home.html）在全氧化物人工反铁磁体的磁电阻研究中取得新的进展。相关成果以“Measurement Geometry and Hydrostatic Pressure-Dependent Magnetoresistance in All-Oxide-Based Synthetic Antiferromagnets”为题发表在Advanced Functional Materials上。
隧穿磁电阻(MR)是当前磁传感器和磁存储器的关键要素之一。它的大小取决于器件材料层的电子结构、绝缘势垒的散射中心和/或界面电子状态。人工反铁磁体作为磁传感器和磁存储器件的重要组成部分，其磁电阻行为无疑也会影响器件的磁电阻数值。事实上，自旋电子学正是起源于对于层间反铁磁交换耦合的铁磁金属多层膜的自旋相关输运研究。相较于传统的金属/合金材料，多自由度的强关联赋予了钙钛矿氧化物丰富的物理现象和界面衍生效应。这将使得全氧化物人工反铁磁体的自旋相关输运将变得复杂，亟待系统研究该体系的磁电阻行为，厘清自旋相关输运机制。
基于团队前期关于全氧化物人工反铁磁体的精准构筑、材料拓展、层间磁耦合机制研究的基础【Science 357, 191–194 (2017)； Applied Physical Letters 110, 082402 (2017)；Physical Review Applied 10, 024035 (2018)；APL Materials 7, 031119 (2019)；ACS applied materials & interfaces 13, 20788-20795 (2021)】，作者利用半金属锰氧化物（La0.67Ca0.33MnO3）和安德森绝缘体（CaRu0.5Ti0.5O3），构筑超薄全氧化物人工反铁磁体，及开展微纳加工制备磁隧道结。进而，作者系统研究该体系的自旋相关输运，发现了三个磁电阻符号反转行为，并揭示了不同內禀自旋相关输运机制之间的转变。（1）在低温下，磁电阻符号依赖于几何构型。在电流垂直（CPP）【平行（CIP）】于膜面几何结构中，电子隧穿效应（载流子限域效应）产生负（正）磁电阻。（2）利用温度调控间隔层的局域态能级与费米能级相对位置。当其与费米能级一致时，发生共振隧穿效应，导致CPP MR符号反转。（3）利用静水压力减小势垒高度，显著增强电子隧穿效应，实现从载流子限域效应占主导向电子隧穿效应占主导的渡越，导致CIP MR符号反转。这些结果为理解和优化全氧化物人工反铁磁体中的MR提供了新的见解。
图1：(a)电流平行/垂直膜面的示意图。(b)铁磁层和间隔层的能带结构。(c)2个周期的全氧化物人工反铁磁体的磁滞回线、CIP MR和CPP MR。(d)温度诱导的局域态能级与费米能级的相对位置改变。(e)静水压减小势垒高度示意图。
中国科大微尺度金锋特任副研究员、南方科技大学邵继峰博士和中国科大微尺度张子璕博士（现为微纳中心工程师）为本文共同第一作者，王凌飞教授、赵悦教授和吴文彬教授为共同通讯作者。湖南大学章伍军博士、马超教授和安徽大学黄振教授也为本工作做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研究计划、国家自然科学基金、合肥大科学中心、校培育项目等基金的大力支持。作者使用了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的紫外光刻机和离子蚀刻机等仪器设备，制备和表征了磁隧道结器件。论文对中心的仪器支持与技术支撑进行了致谢，并对微纳中心工程师李文娟和孙剑的热心帮助表示诚挚感谢。
论文【Advanced Functional Materials 33, 2303492 (2023)】链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202303492