注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

随着人工智能和物联网的快速发展，计算机的能耗将急剧地增加，这不仅造成能源浪费，也将限制器件的性能。因此发展高密度、高性能（快速读写）和低功耗的晶体管是未来科技发展的关键。近日，新加坡国立大学的陈景升（点击查看介绍）实验室通过制备高质量的多铁异质结，实现了超小尺寸的磁性拓扑态。

磁性拓扑态（斯格明子）是具有拓扑保护的磁畴结构，因为具有小尺寸（<100 nm）和低的驱动电流密度，在未来的自旋电子学和高密度存储器件方面有很好的应用前景，受到了各个研究领域的广泛关注。目前发现的磁性拓扑态主要是有界面的DM（Dzyaloshinskii-Moriya）相互作用驱动而形成的，主要存在于超薄材料的界面和表面处，这为其未来的实际应用带了很大的挑战。研究发现界面DM相互作用随着材料厚度快速的下降是造成这种行为的根本原因。因此如何克服界面DM相互作用的限制是把界面磁性拓扑态扩展到体态的重要途径之一。

新加坡国立大学团队针对这一问题提出利用多铁材料中的多铁序（铁电序和反铁磁序）协同作用驱动磁性拓扑态的形成。应用激光分子束外延技术把多铁材料铁酸铋（BiFeO₃）和磁性氧化物钌酸锶（SrRuO₃）生长在一起，制备了高质量的多铁异质结。充分利用了BiFeO₃铁电极化打破BiFeO₃/SrRuO₃界面上的对称性，形成了界面DM；再利用BiFeO₃的反铁磁序与SrRuO₃形成强的磁性耦合调控界面的磁组态。

反常霍尔效应测试显示与磁性拓扑态相关的拓扑霍尔效应（THE）可以在40个单包厚的SrRuO₃薄膜中出现，这远远扩展了纯铁电极化驱动的磁性拓扑态的厚度（5个单包）。中国科学院金属研究所功能材料与器件研究部代莹莹副研究员通过微磁学模拟深入的研究了铁电极化和反铁磁耦合等各项参数对多铁异质结中的磁性斯格明子影响，画出了磁性斯格明子的形成条件相图，从理论上证实了本研究提出的实验方案。值得说明的是，BiFeO₃/SrRuO₃异质结中的斯格明子的直径仅为20~30 nm，这在高密度存储器件方面有潜在的应用价值。本研究的实验方案可以直接推广到其他具有磁性耦合的异质结中。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者新加坡国立大学博士后王瀚和中科院金属研究所副研究员代莹莹。

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Overcoming the Limits of the Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction by Antiferromagnetic Order in Multiferroic Heterostructures.

Han Wang, Yingying Dai, Zhongran Liu, Qidong Xie, Chao Liu, Weinan Lin, Liang Liu, Ping Yang, John Wang, Thirumalai Venky Venkatesan, Gan Moog Chow, He Tian, Zhidong Zhang, Jingsheng Chen

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201904415

陈景升教授简介

陈景升，新加坡国立大学材料科学与工程学院副教授，主要从事纳米磁性材料的信息存储材料与器件、电子强关联氧化物多铁性材料、自旋电子学、纳米团簇的光学和磁学性质等领域的研究。自2008年，已获得由世界上最大的硬盘公司美国希捷（Seagate）技术超过100万美元的赞助，并获得了新加坡科学技术部、教育部和国家研究基金会超过1200万新加坡元的资助。陈教授目前正在领导一项900万新加坡元的项目，开发低功耗信息存储器。陈教授是新加坡SG-SPIN联盟管理委员会成员。目前已发表SCI收录论文200余篇，论文被引次数超过6000次，出版3本科技书籍，申请国际发明专利10项，多次在国际会议上做邀请报告，H指数为38。2004年获得陈嘉庚青年发明奖；2005年获得国家数据存储研究院杰出奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/73346

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们实验室的主要研究兴趣是开发可用于高密度存储的新型电子材料。众所周知，随着传统半导体技术已趋近摩尔定律极限（< 5 nm），器件单位面积上的能量消耗急剧增加，研究新型电子器件成为大势所趋。磁性拓扑态具有很多特别的物理性质，被认为是理想的存储单元之一。目前，这些特殊的磁性拓扑态主要存在于超薄材料的界面或表面，这在实际应用当中是不太方便的。我们的目标就是想通过一些物理效应的协同作用把这些磁性拓扑态从界面扩展到体态，从而推进其在存储方面的应用。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是可制备高质量的多铁异质结，以获得具有优异铁电和磁性能的薄膜材料。在这个过程中，我们团队在氧化物材料的可控生长方面的经验积累起了至关重要的作用。

此外，磁性拓扑态的形成机制问题，其中需要全面的理论模拟。我们和中科院金属研究所的张志东团队进行合作，通过微磁学模拟阐释了多铁异质结中的磁性拓扑态的形成机制。对于小尺寸的磁性拓扑态的直接观察目前也是一个很大的挑战，希望未来有相关领域的研究者一起合作开展相关研究。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：多铁异质结中的磁性拓扑态可以从界面扩展到体态，同时具有小尺寸和多铁性质，能够被磁场、电场和力场等多种手段进行控制，因此在高密度、低功耗、非易失的存储器件和自旋电子器件方面有很好的应用。我们相信这项研究成果为磁性拓扑态的制备提供了一个新的方案，将对相关半导体电子产业的发展产生推动作用。