【摘要】：從第一代磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM),到第二代基于自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)效應(yīng)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器,再到第三代基于自旋軌道力矩(SOT)效應(yīng)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器,驅(qū)動(dòng)磁性隧道結(jié)自由層磁矩翻轉(zhuǎn)的力矩的更新迭代促進(jìn)著磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的階躍性發(fā)展。最近幾年,自旋軌道力矩效應(yīng)的出現(xiàn)提供了一種低能耗、高速度的方式調(diào)控磁性薄膜的自發(fā)磁化狀態(tài)。但是,在構(gòu)建具有垂直磁各向異性的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器時(shí),實(shí)現(xiàn)在零外加磁場(chǎng)的條件下對(duì)磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的基本構(gòu)成單元──磁性隧道結(jié)的全電學(xué)調(diào)控仍面臨原理性的科學(xué)難題。本論文著眼于該問題,并選題為“磁異質(zhì)結(jié)中基于自旋軌道力矩的全電學(xué)磁矩翻轉(zhuǎn)調(diào)控研究”,主要包括以下四個(gè)方面的研究工作:(1)制備了核心結(jié)構(gòu)為Pd/Co/IrMn且具有垂直磁各向異性的磁性薄膜,通過微納加工,將樣品加工成霍爾條,這樣就可以通過探測(cè)霍爾條的反常霍爾電阻表征磁性層的平均垂直磁矩。實(shí)驗(yàn)證明反鐵磁材料IrMn能夠同時(shí)提供自旋軌道力矩和面內(nèi)的交換偏置場(chǎng),實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)下垂直Co層磁矩的確定性翻轉(zhuǎn),測(cè)得IrMn產(chǎn)生的面內(nèi)交換偏置場(chǎng)為1.8 mT,并且零場(chǎng)下自旋軌道力矩驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的臨界電流密度約為2.2×10~7A/cm~2。(2)在垂直-垂直耦合的CoFeB/Ta/CoFeB人工反鐵磁結(jié)構(gòu)中,我們實(shí)驗(yàn)研究了在中間層Ta產(chǎn)生的自旋軌道力矩和層間耦合效應(yīng)作用下,該人工反鐵磁結(jié)構(gòu)的磁矩翻轉(zhuǎn)特性。實(shí)驗(yàn)觀察到垂直磁矩的翻轉(zhuǎn)行為如下:在施加沿電流方向的面內(nèi)偏置場(chǎng)時(shí),耦合著的兩層CoFeB的垂直磁矩同時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。結(jié)合諧波測(cè)量和翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),我們估算出在CoFeB/Ta/CoFeB人工反鐵磁結(jié)構(gòu)中電流產(chǎn)生類場(chǎng)力矩和類阻尼力矩的效率分別為0.74 mT/(MA/cm~2)和0.60mT/(MA/cm~2),即施加特定的電流,產(chǎn)生的類場(chǎng)力矩是類阻尼力矩1.24倍。通過估算,厚度為1.3 nm的超薄Ta層的有效自旋霍爾角約為-0.158。同時(shí),實(shí)驗(yàn)證明了在該人工反鐵磁結(jié)構(gòu)中由于缺少反演對(duì)稱性破缺,不可能實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)下磁矩的確定性翻轉(zhuǎn)。(3)在制備出的垂直-面內(nèi)耦合的CoFeB/Ta/CoFeB結(jié)構(gòu)中,由于中間層Ta可以提供的層間耦合效應(yīng)和自旋霍爾效應(yīng),垂直磁矩會(huì)感受到面內(nèi)磁矩產(chǎn)生的面內(nèi)有效場(chǎng)的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,制備出的垂直-面內(nèi)耦合的磁結(jié)構(gòu)中面內(nèi)層具有面內(nèi)的單軸各向異性而垂直層的易軸并非精確地沿著z軸,而是與z軸形成了大小為10~o的夾角。在該垂直-面內(nèi)耦合的CoFeB/Ta/CoFeB結(jié)構(gòu)中,我們觀察到了兩種全電學(xué)調(diào)控的自旋軌道力矩驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的模式,分別是Z型和T型翻轉(zhuǎn)模式。T型翻轉(zhuǎn)模式的特點(diǎn)是電流沿著面內(nèi)難軸方向施加,此時(shí)電流既垂直于垂直磁矩也垂直于面內(nèi)磁矩,實(shí)驗(yàn)和理論均表明:難軸電流能夠同時(shí)翻轉(zhuǎn)面內(nèi)層和垂直層的兩層薄膜的磁矩,并且磁矩翻轉(zhuǎn)的極性不受外加磁場(chǎng)的調(diào)控。在Z型翻轉(zhuǎn)模式,電流沿面內(nèi)易軸方向施加,在面內(nèi)電流產(chǎn)生的自旋軌道力矩的驅(qū)動(dòng)下,只有垂直層的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)而面內(nèi)層不發(fā)生翻轉(zhuǎn),并且垂直磁矩翻轉(zhuǎn)的極性會(huì)受到沿電流方向施加的面內(nèi)偏置磁場(chǎng)的調(diào)控(4)制備了薄膜結(jié)構(gòu)為Ta(8)/Co_(40)Fe_(40)B_(20)(2)/Ta(1.3)/Co_(40)Fe_(40)B_(20)(0.6)/MgO(2.5)/Co_(40)Fe_(40)B_(20)(1.2)/Ta(5)/Ru(5 nm)的垂直磁性隧道結(jié),退火后,該磁性隧道結(jié)的自由層形成了垂直-面內(nèi)耦合的CoFeB/Ta/CoFeB結(jié)構(gòu)。通過微納加工,制成了具有橢圓形結(jié)區(qū)并且其尺寸分別為5μm(短軸)-10μm(長軸)、5μm-15μm、5μm-20μm、10μm-20μm和10μm-30μm的微米級(jí)磁性隧道結(jié),實(shí)驗(yàn)測(cè)得制備的磁性隧道結(jié)的隧穿磁電阻效應(yīng)為43%~50%。通過施加面內(nèi)電流產(chǎn)生自旋軌道力矩,我們實(shí)現(xiàn)了磁性隧道結(jié)自由層磁矩的全電學(xué)調(diào)控,并且在面內(nèi)偏置磁場(chǎng)的幫助下,系統(tǒng)地研究了磁性隧道結(jié)自由層磁矩的翻轉(zhuǎn)特性。
【圖文】：

矩組態(tài)呈平行(Parallel, P)排列或反平行(Antiparallel, AP)排列時(shí), 則分別能夠觀察到低的和高的磁電阻狀態(tài)，因此可以定義磁電阻比值：GMR=(RAP-RP)/RP 100% ······················(1.1)其中 RP和 RAP分別是磁矩平行態(tài)和反平行態(tài)的電阻。GMR 效應(yīng)作為一種自旋相關(guān)輸運(yùn)效應(yīng)，它的物理原理可以簡(jiǎn)單表述如下：磁性材料的自旋子能帶的劈裂導(dǎo)致其費(fèi)米面上自旋向上向下的傳導(dǎo)電子態(tài)密度不同，那么在傳導(dǎo)電子輸運(yùn)的過程中，自旋取向相反的電子將具有不同的電導(dǎo)率。傳導(dǎo)電子通過單層磁性材料時(shí)，當(dāng)電子自旋的取向與磁矩取向平行時(shí)，那么電子在輸運(yùn)時(shí)呈現(xiàn)較大的電導(dǎo)率。而自旋取向與磁矩取向反平行時(shí)，則出現(xiàn)較小的電阻率。假定電子的輸運(yùn)可以分為自旋向上和自旋向下兩個(gè)相互獨(dú)立的通道。那么，當(dāng)兩鐵磁性層的磁矩平行排列時(shí)，不同自旋取向的電子均通過相同電阻串聯(lián)形成的通道，此時(shí)總的電阻為低阻態(tài)；對(duì)于磁矩反平行排列的磁性層，不同自旋取向的電子均通過串聯(lián)的高低電阻

因此在早期的實(shí)驗(yàn)研究中 Julliére 模型對(duì)提高 TMR 比值具有很好的意義。但是，由于當(dāng)時(shí)絕緣薄膜的制備技術(shù)不太穩(wěn)定，相似的實(shí)驗(yàn)不能很好復(fù)出 TMR 效應(yīng)，所以 TMR 效應(yīng)在當(dāng)時(shí)并沒有受到應(yīng)有的重視�，F(xiàn) TMR 效應(yīng)的核心不僅僅在于傳導(dǎo)電子通過鐵磁層時(shí)的極化，也在于通過層時(shí)自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。Julliére 模型考慮了鐵磁層中電流通過時(shí)產(chǎn)生的極化效應(yīng)，卻不能描述勢(shì)壘層在隧穿過程中的自旋相關(guān)效應(yīng)。1989 年，，J.nczewski 在解釋 TMR 效應(yīng)時(shí)，討論了勢(shì)壘層的影響，即使用方勢(shì)壘描述勢(shì)壘且用近自由電子模型描述鐵磁層的電子能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，得出了第一個(gè)能夠比較地解釋 TMR 效應(yīng)的理論模型[7]。但是，由于 TMR 效應(yīng)極易受到勢(shì)壘特點(diǎn)、和界面粗糙度等因素的影響，所以通過簡(jiǎn)單模型對(duì) TMR 效應(yīng)進(jìn)行定量描述圖 1-3 磁矩組態(tài)為(a)平行排列或者(b)反平行排列時(shí)隧穿過程示意圖。圖片摘自[6]。Figure 1-3. The tunneling mechanism when the spins are in (a) parallel and (b) anti-parallel,respectively. Pictures were taken from [6].
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP333;O441.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李揚(yáng)國;;反質(zhì)子光學(xué)位的自旋軌道效應(yīng)[J];汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1987年02期

2 羅國忠;;自旋軌道作用的介觀環(huán)的電導(dǎo)率[J];甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年02期

3 王天宇;宋琪;韓偉;;自旋軌道轉(zhuǎn)矩[J];物理;2017年05期

4 孟康康;姜勇;;Mn基合金/重金屬異質(zhì)結(jié)中的自旋軌道轉(zhuǎn)矩研究進(jìn)展[J];金屬功能材料;2018年02期

5 姚杰;趙愛迪;王兵;;二維拓?fù)洳牧系男逻M(jìn)展——純平錫烯中存在大的拓?fù)淠芟禰J];物理;2019年05期

6 王勇剛,楊永宏;無序電子系統(tǒng)中自旋軌道散射對(duì)Hall電導(dǎo)率的影響(英文)[J];Journal of Southeast University(English Edition);2002年02期

7 艾瑞波;張存華;;碘代乙烷分子光解離的自旋軌道從頭計(jì)算理論研究[J];原子與分子物理學(xué)報(bào);2011年01期

8 焦榮珍,張茹,程新路,楊向東;金激光等離子體帶譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)分析[J];原子與分子物理學(xué)報(bào);2004年S1期

9 王榮順,孟令鵬,趙成大;摻雜劑對(duì)聚乙炔性質(zhì)影響的理論研究[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào);1992年06期

10 譚維翰;紅寶石吸收光譜中銳線能級(jí)與分裂計(jì)算[J];物理學(xué)報(bào);1963年07期

相關(guān)會(huì)議論文 前5條

1 朱劍鈺;許甫榮;;Skyrme力中自旋軌道耦合項(xiàng)對(duì)奇特核基態(tài)性質(zhì)的影響[A];第十三屆全國核物理大會(huì)暨第八屆會(huì)員代表大會(huì)論文摘要集[C];2007年

2 朱濤;;自旋軌道力矩導(dǎo)致的線形反常Hall效應(yīng)[A];2015中國功能新材料學(xué)術(shù)論壇暨第四屆全國電磁材料及器件學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集[C];2015年

3 曹戰(zhàn)利;王繁;;含旋軌耦合的開殼層耦合簇方法[A];中國化學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集-第十八分會(huì)：電子結(jié)構(gòu)理論方法的發(fā)展與應(yīng)用[C];2016年

4 張慶營;;非中心力矩陣元的公式(續(xù))[A];第五次核物理會(huì)議資料匯編（中冊(cè)）[C];1982年

5 涂U喲

本文編號(hào)：2692503