【摘要】：隨著器件尺寸的不斷減小,基于半導(dǎo)體技術(shù)的存儲(chǔ)器及邏輯器件正面臨著極大挑戰(zhàn),而基于電子自旋相關(guān)輸運(yùn)效應(yīng)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁邏輯器件,因具有非易失性、低能耗、快速操作等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的核心元件是鐵磁性隧道結(jié),信息的讀取機(jī)制是基于隧穿磁電阻效應(yīng),而目前廣泛采用的寫入方法則是利用自旋極化電流產(chǎn)生的力矩作用翻轉(zhuǎn)鐵磁性隧道結(jié)磁性層的磁化方向。這種可能翻轉(zhuǎn)鐵磁性隧道結(jié)磁化方向的力矩有兩種形式:一種是基于自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移效應(yīng)產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩;另一種是基于自旋軌道耦合效應(yīng)產(chǎn)生的自旋軌道矩。深入理解隧道結(jié)磁化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中這兩種力矩的作用和機(jī)制有助于優(yōu)化隧道結(jié)器件結(jié)構(gòu),提高自旋轉(zhuǎn)矩的的效率,有利于設(shè)計(jì)并構(gòu)筑具有更低寫入能耗的磁存儲(chǔ)或邏輯器件。本論文以磁性異質(zhì)結(jié)為對(duì)象,研究了自旋轉(zhuǎn)移力矩和自旋軌道矩在新型自旋存儲(chǔ)技術(shù)和邏輯器件中的應(yīng)用。論文的主要成果如下:(1)制備了兩種基于Co2MnSi半金屬的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu),分別為對(duì)稱結(jié)構(gòu)Co2MnSi/MgO/Co2MnSi和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)Co2MnSi/MgO/CoFe。其中,對(duì)稱結(jié)構(gòu)隧道結(jié)的室溫隧穿磁電阻效應(yīng)高達(dá)88%。進(jìn)一步,利用自旋矩鐵磁共振技術(shù)測(cè)量了兩種結(jié)構(gòu)中自旋轉(zhuǎn)移力矩的兩個(gè)分量(類阻尼力矩和類場(chǎng)力矩),并研究了它們的偏壓特性。發(fā)現(xiàn)在兩種結(jié)構(gòu)中,類阻尼力矩都呈現(xiàn)線性特征。而對(duì)比于對(duì)稱結(jié)構(gòu),非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的類場(chǎng)力矩在二次型特征上還出現(xiàn)一個(gè)額外的線性特征。我們利用自由電子模型研究了這種現(xiàn)象的物理機(jī)制。另外,論文研究還發(fā)現(xiàn),Heusler合金的低阻尼和低飽和磁化強(qiáng)度特性比其半金屬性更有可能大幅提高自旋轉(zhuǎn)移力矩的效率。(2)制備了W(O)/x/CoFeB系列磁性多層膜(x為插入層Au或Cu),將一個(gè)可忽略自旋軌道耦合效應(yīng)的薄層插入到W(O)/CoFeB的界面處,利用自旋矩鐵磁共振技術(shù)研究了該系列多層膜的自旋軌道矩效應(yīng)及其產(chǎn)生機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),在以W(O)作為自旋流產(chǎn)生層的體系中,插入層的存在抑制了測(cè)量得到的有效自旋霍爾角,這與利用自旋透過(guò)率公式估算的數(shù)值不符。材料塊體透過(guò)率機(jī)制與實(shí)際測(cè)得的有效自旋霍爾角之間的差異,表明W(O)/CoFeB體系中自旋軌道矩的產(chǎn)生來(lái)源于界面效應(yīng)。另外,本研究確認(rèn)了W(O)體系的自旋霍爾角為-50%,這也是目前在傳統(tǒng)金屬體系中觀察到的最大值。(3)以W(O)作為自旋流產(chǎn)生層,Co40Fe40B20作為隧道結(jié)的鐵磁層,制備了一種新型三端器件,并針對(duì)該器件進(jìn)行了自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)研究。論文提出了一種新型的自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)方案,即在自旋極化方向與磁矩彼此不共線也沒(méi)有外加磁場(chǎng)的條件下,可以通過(guò)調(diào)控納米單元的非均勻微磁化狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)完全的磁化翻轉(zhuǎn)。利用微磁模擬研究了多種類型的微磁化狀態(tài)對(duì)自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)過(guò)程的影響。最后演示了這種無(wú)外加磁場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)方案如何用于邏輯器件,舉例說(shuō)明了利用兩種構(gòu)型的三端隧道結(jié)器件進(jìn)行非易失性反相器(非門電路)的操作,進(jìn)而構(gòu)筑出非易失性納米磁性邏輯電路。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN386;TP333
【圖文】：

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本文編號(hào)：2717227