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一种基于自旋轨道力矩效应全电学操控磁矩翻转和信息写入的新模式
  如何利用全电学方法实现磁性薄膜的确定性磁矩翻转,一直是研发自旋电子学器件的挑战性难题之一。随着研究的不断深入,实现磁矩确定性翻转的方式发生了阶跃性的变化,极大地推动了自旋电子学核心器件—磁随机存储器(MRAM)更新换代式的递进发展。磁随机存储器是最具大规模产业化前景的新一代非易失性存储器之一,它采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)作为存储单元。如第一代磁场驱动型磁随机存储器(Field-MRAM)是以脉冲电流产生的奥斯特场驱动磁性隧道结自由层的磁矩翻转和实现信息的写入操作;第二代自旋转移力矩(Spin Transfer Torque, STT)型磁随机存储器(STT-MRAM)是基于脉冲自旋极化电流产生的STT效应来驱动磁性隧道结自由层的磁矩翻转和信息写入、其功耗可以显著降低;而第三代自旋轨道力矩(Spin-Orbit Torque,SOT)型磁随机存储器(SOT-MRAM)是利用自旋流产生的SOT效应作为信息写入方式,即保持了MRAM高速度和低功耗等优异特性,又实现了读写路径的分离,更有利于提高器件的抗击穿和长寿命等性能。
  目前对于采用性能优异的具有垂直磁各向异性的磁性隧道结作为基本存储单元的SOT-MRAM设计,一般需要在特定方向上外加磁场的帮助下,才能够实现磁性隧道结中垂直自由层的确定性磁矩翻转和信息写入。因此,如何依靠SOT效应和全电学操控方法来实现MTJ垂直自由层的磁矩翻转,成为国际上推动SOT-MRAM器件能否进入产业化的关键瓶颈问题之一。
  针对这个具有挑战性的科学前沿难题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室 M02课题组韩秀峰研究员团队探索出具有T型磁结构的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的反铁磁耦合薄膜体系,可以用来实现两种SOT效应驱动垂直自由层磁矩翻转的全电学操控模式:Z型翻转模式和T型翻转模式。T型磁结构是指两个分别具有面内磁各向异性的CoFeB和具有垂直磁各向异性的CoFeB薄膜,通过中间Ta插层的层间相互作用耦合在一起。这种层间耦合结构可以作为复合自由层直接嵌入垂直磁性隧道结的结构设计之中,并实现基于SOT效应的全电学操控磁矩翻转。在Z型翻转模式中,当电流沿面内易磁化方向(易轴)方向施加时,具有垂直磁各向异性的CoFeB薄膜(垂直层磁矩)不仅感受到了来自Ta层中的自旋轨道力矩(SOT),还感受到了具有面内磁各向异性CoFeB薄膜(面内层磁矩)提供的平行于电流方向的等效磁场,因此垂直CoFeB薄膜能够发生Z类型的SOT磁矩翻转,且磁矩翻转的极性--顺时针或逆时针--受水平磁矩取向的控制。在T型翻转模式中,垂直层磁矩偏离Z轴向Y方向有一个小的倾角(见图1b)。当沿面内难磁化方向(难轴)施加电流时,此时单独的垂直层磁矩已经不再满足SOT翻转的对称性条件。但是,此时面内层磁矩在SOT驱动下可以发生180°的确定性翻转。考虑到垂直层和面内层磁矩之间存在交换耦合效应,面内层磁矩翻转的同时会带动垂直层磁矩的翻转,这种在T型磁结构中发现的通过面内层磁矩翻转带动垂直层磁矩翻转的新型SOT模式,被命名为T型SOT翻转模式。
  另一方面,在垂直-垂直磁矩耦合的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO薄膜结构中,通过二阶谐波测量,超薄Ta层的自旋霍尔角被测量出来,其大小为0.15±0.013;其磁结构的测量显示,中间Ta层提供了较强的层间交换作用和耦合效应,使得两层具有垂直各向异性的CoFeB薄膜很好地耦合在一起[1]。证明Ta中间层能够提供较强的自旋霍尔效应和层间耦合效应,实现SOT高效地驱动磁矩翻转。
  因此,该研究团队通过Ta层的SOT和层间耦合效应,在与磁性隧道结材料体系相兼容的垂直-面内磁矩耦合的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO薄膜结构中所实现的零磁场下两种全电学操控磁矩翻转模式,对开发实用型的数据非易失性SOT-MRAM和多功能可编程的自旋逻辑等自旋电子器件,提供了一种非常好的适用材料体系和器件工作原理。尤其是T型翻转模式的提出,可实现在同一个电流操控下垂直和面内两层薄膜磁矩的同时翻转,将有益于实现对复杂体系磁结构的更加有效和多样化的室温量子调控[2]。
  该项工作的最新相关研究进展已发表在《自然通信》上( Nat. Commun. 10, 233 (2019))。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院的支持。
相关链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-08181-y
参考文献:
[1] W. J. Kong, C. H. Wan, B. S. Tao, C. Fang, L. Huang, C. Y. Guo, M. Irfan, and X. F. Han. Study of spin-orbit torque induced magnetization switching in synthetic antiferromagnet with ultrathin Ta spacer layer. Appl. Phys. Lett. 113 (2018) 162402, Editors' pick.
[2] W. J. Kong, C. H. Wan, X. Wang, B. S. Tao, L. Huang, C. Fang, C. Y. Guo, Y. Guang, M. Irfan, X. F. Han. Spin-orbit torque switching in a T-type magnetic configuration with current orthogonal to easy axes. Nat. Comm. 10 (2019) 233, Editors' Highlights.
图1. (a) Z型翻转模式的镜面对称性分析示意图; (b) T型翻转模式的镜面对称性分析示意图。其中,磁场和力矩都是赝矢量(pseudo-vector)。
图2. (a) Z类型的零磁场SOT翻转模式测量示意图; (b) 零磁场条件下的SOT翻转模式测量数据。图中显示,翻转的极性取决于面内层的磁化历史。
图3. (a) T类型的零磁场SOT翻转模式测量示意图; (b) 零磁场和带场条件下的SOT翻转模式测量数据。图中显示,磁场对翻转的影响不显著。(c)面内层和垂直层翻转的动力学过程。红色和蓝色分别对应垂直层和面内层层的翻转。由图可知,红点随着SOT力矩的增加从1点位置移动到2点位置,此时系统能量逐渐增高,因为面内层也处于2点位置且面内层和垂直层存在反铁磁交换相互作用。当面内层从2点翻转到4点位置时,垂直层将同时从2点切换到3点位置,即面内层的180°翻带动垂直层的180°翻转。
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