【摘要】：在具有垂直磁各向異性的重金屬/鐵磁金屬異質(zhì)結(jié)中,由自旋軌道轉(zhuǎn)矩驅(qū)動的磁矩翻轉(zhuǎn)被認為是一種有效控制磁矩的手段。由于自旋霍爾效應(yīng),電流通過具有強自旋軌道耦合的重金屬層的電流將在橫向方向產(chǎn)生自旋流,這種橫向的自旋流將對鐵磁層的磁矩施加轉(zhuǎn)矩,自旋軌道轉(zhuǎn)矩的方向和大小取決于重金屬層的自旋霍爾角。另一方面,當鐵磁層原子處在結(jié)構(gòu)對稱性破缺的環(huán)境當中時,Rashba自旋軌道耦合同樣會產(chǎn)生自旋軌道轉(zhuǎn)矩,即界面處的自旋積累通過交換耦合的形式使相鄰的磁矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)。提高自旋軌道轉(zhuǎn)矩的強度和效率有多種方法,包括產(chǎn)生更多的自旋流或者增加自旋流的吸收以增加施加于磁矩的轉(zhuǎn)矩。本論文通過采用幾種有效的方法,研究了鐵磁多層膜中高效的自旋軌道轉(zhuǎn)矩。在第一項研究中,我們發(fā)現(xiàn)在由雙層重金屬和垂直磁各向異性的超薄Co組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在零磁場下的自旋軌道轉(zhuǎn)矩。兩層重金屬(Ta和Pt)通過線性組合強化自旋軌道耦合,而這種強化作用不能用傳統(tǒng)的自旋霍爾效應(yīng)解釋。我們同時通過在多層膜結(jié)構(gòu)中插入Co2FeAl層,研究了相關(guān)的自旋軌道轉(zhuǎn)矩效應(yīng)。在第二項研究中,我們研究了垂直磁各向異性薄膜Pt/Co/W中的自旋軌道轉(zhuǎn)矩,并同時與Pt/Co/AlOx相比較。通過諧波測試,我們表征了類阻尼轉(zhuǎn)矩和類場轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的有效磁場。在不對稱的Pt/Co/W三層膜中,Pt和W的自旋霍爾角符號相反,由于自旋霍爾效應(yīng)和Rashba效應(yīng),這兩種轉(zhuǎn)矩都得到了提高,但是類阻尼轉(zhuǎn)矩起主導作用。而在Pt/Co/AlOx中,類阻尼轉(zhuǎn)矩和類場轉(zhuǎn)矩都比較明顯。在第三項研究中,通過控制Ti的氧化時間,我們研究了 Pt/Co/TiOx異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自旋軌道轉(zhuǎn)矩。自旋軌道轉(zhuǎn)矩引起的磁化翻轉(zhuǎn)在Pt/Co/Ti異質(zhì)結(jié)構(gòu)中很弱。然而,隨著Ti層的氧化,它變得越來越明顯。當氧化時間超過閾值(11分鐘)時,Pt/Co/TiOx異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的磁矩可以完全翻轉(zhuǎn)。但過度氧化又使得磁矩翻轉(zhuǎn)消失。通過X射線光電子能譜,我們發(fā)現(xiàn)通過11分鐘的氧化,Ti的平均化合價約+3.619,即Ti2O3提高了自旋軌道轉(zhuǎn)矩的效率。氧化的手段增強了界面處的Rashba效應(yīng)、薄膜的質(zhì)量以及界面處的自旋透射效率,從而增強了自旋軌道轉(zhuǎn)矩效應(yīng)。在第四項研究中,我們研究了 Pt/Co/Al0x/Co/Ta多層結(jié)構(gòu)中的自旋軌道轉(zhuǎn)矩。自旋軌道轉(zhuǎn)矩的等效磁場可以通過改變A10x層的厚度以及兩層Co之間的耦合加以調(diào)節(jié)。Al0x層厚度的改變顯著影響了多層膜的整體磁學和電學性質(zhì)。通過諧波的測量,最終確定了類阻尼轉(zhuǎn)矩和類場轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的等效磁場。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O441

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本文編號：2651404