信息技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度、讀寫速度和穩(wěn)定性等提出了更高的要求。為滿足這些苛刻要求,近年來人們開始研究自旋軌道扭矩(SOT)。為了SOT相關(guān)器件得到實(shí)際應(yīng)用,人們需要考慮如自旋軌道偶合層的電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率、磁性層的垂直磁各向異性能、與半導(dǎo)體退火工藝兼容性、隧道磁電阻等等諸多性能。目前SOT研究主要集中在如何提高SOT中的電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率,但對(duì)其與磁性隧道結(jié)的兼容性重視程度不夠。另外,研究Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)、磁疇翻轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)過程和對(duì)它們的高效調(diào)控方法,對(duì)實(shí)現(xiàn)高速高密度的賽道存儲(chǔ)器以及無外場輔助的SOT器件也具有重要意義�；赟OT的研究現(xiàn)狀,本論文研究了重金屬/鐵磁層/氧化層中SOT并對(duì)其進(jìn)行了有效調(diào)控。(1)提出以Ta/W復(fù)合重金屬層作為SOT器件的自旋軌道耦合層的方案。制備了 Ta/W/CoFeB/MgO多層膜,它不僅具有較好的耐熱性、高的垂直磁各向異性,而且具有高達(dá)0.5有效自旋霍爾角。這一方案充分利用了Ta/CoFeB/MgO和重金屬W各自的優(yōu)勢,從而增強(qiáng)了多層膜SOT效率和磁性能,為SOT器件的實(shí)際應(yīng)用提供了有效途徑。(2)實(shí)現(xiàn)了基于界面效應(yīng)調(diào)控SOT效應(yīng)的目標(biāo)。在重金屬/鐵磁/氧化物多層膜中有許多與界面相關(guān)的效應(yīng),例如垂直磁各向異性、自旋通過率、DMI等等,這些效應(yīng)都與SOT器件密切相關(guān)。在Ta/CoFeB中引入超薄W插層、在Pt/CoFe中引入NiO插層,兩種插層均提高了體系自旋霍爾角,還降低了電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)所需的輔助外場。最后觀察磁疇翻轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過程指出磁疇翻轉(zhuǎn)過程與輔助外場和DM等效場的共同作用有關(guān)。揭示了基于界面效應(yīng)調(diào)控SOT的有效性,還首次利用電流實(shí)現(xiàn)了對(duì)MgO/CoFeB/MgO——雙氧化鎂自由層——的磁化翻轉(zhuǎn),為SOT器件與當(dāng)下高密度的磁性隧道結(jié)的有效結(jié)合提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O469
【部分圖文】：

原子核的經(jīng)典圖像中，電子具有軌道角動(dòng)量Ｌ和自旋角動(dòng)量Ｓ對(duì)應(yīng)兩種磁矩，即軌道角動(dòng)量／Ｗｆｉ和自旋角動(dòng)量＃ｓｐｆ？。??ｔｏｍｉｃ?ｍａｇｎｅｔｉｓｍ．?Ｉｎ?ａ?ｃｌａｓｓｉｃａｌ?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｎ?ａｔｏｍ，?ａｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｈａｓ?ｔｈｅ?ｏｍｅｎｔｕｍ?Ｌａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ａｎｇｕｌａｒ?ｍｏｍｅｎｔｒｕｍ?Ｓ．?Ｔｈｅｉｒ?ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ?ｍａａｒｅ?ｔｈｅ?ｏｒｂｉｔａｌ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｉｘｏｒｂ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｆｉ道耦合（ＳＯＩ）就是以上兩種磁矩的相互作用。從經(jīng)典角度來看，矩與其余電子所產(chǎn)生的磁場的相互作用，它本質(zhì)上是電子磁矩核所產(chǎn)生的電場的軌道運(yùn)動(dòng)中所感受到作用。這個(gè)能量可以用矩；ｕ與磁場Ｂ相互作用的靜磁能。當(dāng)Ｍ與Ｂ平行是，塞曼能為??Ｅｓｏ?＝?—Ｐｓｐｉｎ’?Ｂｓ〇?＝人ｓ〇Ｓ?■?Ｌ，旋軌道耦合常數(shù)。由此，等效磁場與電子的軌道角動(dòng)量＝?ｍｅＡＳｆｌｉ／ｅ。由于自旋軌道耦合的引入，原子中的電子的哈密互作用，還有自旋軌道耦合相互作用。對(duì)于新的哈密頓量，軌能相互獨(dú)立取值，它們合起來構(gòu)成了總角動(dòng)量Ｊ，作為新哈密一

?＊?ｌ＾ｏｒｂ??圖１．１原子磁性１＊１。原子核的經(jīng)典圖像中，電子具有軌道角動(dòng)量Ｌ和自旋角動(dòng)量Ｓ。它們??對(duì)應(yīng)兩種磁矩，即軌道角動(dòng)量／Ｗｆｉ和自旋角動(dòng)量＃ｓｐｆ？。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ａｔｏｍｉｃ?ｍａｇｎｅｔｉｓｍ．?Ｉｎ?ａ?ｃｌａｓｓｉｃａｌ?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｎ?ａｔｏｍ，?ａｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｈａｓ?ｔｈｅ?ｏｒｂｉｔａｌ??ａｎｇｕｌａｒ?ｍｏｍｅｎｔｕｍ?Ｌａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ａｎｇｕｌａｒ?ｍｏｍｅｎｔｒｕｍ?Ｓ．?Ｔｈｅｉｒ?ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ?ｍａｇｎｅｔｉｃ??ｍｏｍｅｎｔｓ?ａｒｅ?ｔｈｅ?ｏｒｂｉｔａｌ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｉｘｏｒｂ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｆｉｓｐｉｎ．??自旋軌道耦合（ＳＯＩ）就是以上兩種磁矩的相互作用。從經(jīng)典角度來看，就是電??子的自旋磁矩與其余電子所產(chǎn)生的磁場的相互作用，它本質(zhì)上是電子磁矩在帶有??正電的原子核所產(chǎn)生的電場的軌道運(yùn)動(dòng)中所感受到作用。這個(gè)能量可以用塞曼能??表述，即磁矩；ｕ與磁場Ｂ相互作用的靜磁能。當(dāng)Ｍ與Ｂ平行是，塞曼能為??Ｅｓｏ?＝?—Ｐｓｐｉｎ’?Ｂｓ〇?＝人ｓ〇Ｓ?■?Ｌ，?（１－５）??其中；是自旋軌道耦合常數(shù)。由此，等效磁場與電子的軌道角動(dòng)量Ｌ可以??表示為＝?ｍｅＡＳｆｌｉ／ｅ。由于自旋軌道耦合的引入

除了上述具有低對(duì)稱性的磁性體系中存在ＤＭ相互作用外，人們還在磁性??多層膜中發(fā)現(xiàn)了表面ＤＭ相互作用。在多層膜體系中，產(chǎn)生反對(duì)稱交換作用的對(duì)??稱性破缺有異質(zhì)界面提供［１６，１７１。如圖１．２所示，當(dāng)３ｄ磁性層與具有強(qiáng)自旋軌道??耦合的５ｄ重金屬接觸時(shí)，在界面處產(chǎn)生了?ＤＭ相互作用，其中ＤＭＩ矢量２＾在??界面內(nèi)［１８１。根據(jù)第一性原理計(jì)算得到ＤＭＩ主要由界面處的原子決定，因此該效??應(yīng)又被稱為界面ＤＭＩ。??針對(duì)重金屬／３ｄ鐵磁層界面的界面ＤＭＩ的微觀起源，人們提出不同的解釋。??一方面，根據(jù)第一性原理計(jì)算的最新結(jié)果認(rèn)為，界面處的自旋軌道耦合，即３ｄ－??５ｄ軌道的雜化，費(fèi)米面相對(duì)于５ｄ電子能帶的位置共同決定了界面ＤＭＩ的強(qiáng)度??和符號(hào)。另一方面，通過在重金屬中摻雜具很高電負(fù)性的輕原子可以調(diào)控界面??ＤＭＩ的強(qiáng)度和符號(hào)，表明重金屬層的電負(fù)性決定這界面ＤＭＩ。??３巡游電子體系中的磁性起源??在宏觀的凝聚態(tài)物質(zhì)中
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本文編號(hào)：2872273