發(fā)布時間：2020-06-02 03:01

【摘要】：從第一代磁場驅(qū)動型的磁隨機存儲器(MRAM),到第二代基于自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)效應(yīng)的磁隨機存儲器,再到第三代基于自旋軌道力矩(SOT)效應(yīng)的磁隨機存儲器,驅(qū)動磁性隧道結(jié)自由層磁矩翻轉(zhuǎn)的力矩的更新迭代促進著磁隨機存儲器的階躍性發(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存儲器時,實現(xiàn)在零外加磁場的條件下對磁隨機存儲器的基本構(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霍爾條的反�；魻栯娮璞碚鞔判詫拥钠骄怪贝啪亍嶒炞C明反鐵磁材料IrMn能夠同時提供自旋軌道力矩和面內(nèi)的交換偏置場,實現(xiàn)零場下垂直Co層磁矩的確定性翻轉(zhuǎn),測得IrMn產(chǎn)生的面內(nèi)交換偏置場為1.8 mT,并且零場下自旋軌道力矩驅(qū)動磁矩翻轉(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,我們實驗研究了在中間層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。實驗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)偏置場時,耦合著的兩層CoFeB的垂直磁矩同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)。結(jié)合諧波測量和翻轉(zhuǎn)實驗,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,實驗證明了在該人工反鐵磁結(jié)構(gòu)中由于缺少反演對稱性破缺,不可能實現(xiàn)零場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),垂直磁矩會感受到面內(nèi)磁矩產(chǎn)生的面內(nèi)有效場的作用。實驗結(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)模式的特點是電流沿著面內(nèi)難軸方向施加,此時電流既垂直于垂直磁矩也垂直于面內(nèi)磁矩,實驗和理論均表明:難軸電流能夠同時翻轉(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)的極性會受到沿電流方向施加的面內(nèi)偏置磁場的調(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的微米級磁性隧道結(jié),實驗測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, 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)輸運效應(yīng)，它的物理原理可以簡單表述如下：磁性材料的自旋子能帶的劈裂導(dǎo)致其費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，當(dāng)電子自旋的取向與磁矩取向平行時，那么電子在輸運時呈現(xiàn)較大的電導(dǎo)率。而自旋取向與磁矩取向反平行時，則出現(xiàn)較小的電阻率。假定電子的輸運可以分為自旋向上和自旋向下兩個相互獨立的通道。那么，當(dāng)兩鐵磁性層的磁矩平行排列時，不同自旋取向的電子均通過相同電阻串聯(lián)形成的通道，此時總的電阻為低阻態(tài)；對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

因此在早期的實驗研究中 Julliére 模型對提高 TMR 比值具有很好的意義。但是，由于當(dāng)時絕緣薄膜的制備技術(shù)不太穩(wěn)定，相似的實驗不能很好復(fù)出 TMR 效應(yīng)，所以 TMR 效應(yīng)在當(dāng)時并沒有受到應(yīng)有的重視。現(xiàn) TMR 效應(yīng)的核心不僅僅在于傳導(dǎo)電子通過鐵磁層時的極化，也在于通過層時自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。Julliére 模型考慮了鐵磁層中電流通過時產(chǎn)生的極化效應(yīng)，卻不能描述勢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，討論了勢壘層的影響，即使用方勢壘描述勢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，得出了第一個能夠比較地解釋 TMR 效應(yīng)的理論模型[7]。但是，由于 TMR 效應(yīng)極易受到勢壘特點、和界面粗糙度等因素的影響，所以通過簡單模型對 TMR 效應(yīng)進行定量描述圖 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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP333;O441.1

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5 涂U喲

本文編號：2692503