垂直取向磁性多层膜中自旋输运和磁化翻转研究

发布时间：2020-05-11 22:21

【摘要】：在巨磁电阻效应(GMR)和自旋转移矩效应(STT)之后,近年来自旋电子学领域又有一重大突破,利用重金属/铁磁金属双层结构中自旋霍尔效应(SHE),在重金属层表面产生自旋电流注入到相邻磁性层中,进而诱导磁性层磁化翻转。基于自旋霍尔效应制备的器件,具备更加简单的结构,有望用于下一代磁性随机存储器(MRAM),进一步提高存储密度并降低功耗。本论文主要研究内容是利用磁控溅射沉积系统,优化Pt、Co、Ta薄膜,在Si/SiO_2基片上制备出Ta/Pt/Co/Pt和Ta/Pt/Co/Ta磁性多层膜结构,研究多层膜的表面形貌、垂直各向异性、反常霍尔效应以及各向异性场,主要内容如下:(1)通过变化沉积压强等实验条件,优化出表面粗糙度小、单一取向的高质量Pt、Co、Ta薄膜,在此基础上制备出垂直取向Pt/Co/Pt磁性多层膜,获得不依赖于电流密度的具有良好热稳定性的反常霍尔曲线,通过面内磁场霍尔电阻变化曲线拟合出不同温度下多层膜各向异性场,低温下达到1.1 T,室温下大约为3000 Oe。(2)利用Ta籽晶层优化出剩磁比接近1的垂直取向Ta/Pt/Co/Ta磁性多层膜,这种薄膜中获得不随电流密度变化的反常霍尔曲线、良好垂直各向异性磁滞回线和热稳定性。通过面内磁场霍尔电阻曲线进行拟合,得到较高数值的各向异性场,室温下达到0.9 T,低温(10K)下进一步提高到1.4 T。通过数据拟合,得到室温下的各向异性场H_(an)=9362Oe,有效自旋霍尔角θ_(SH)=0.61。通过XAS测试得到该体系较大各向异性场和自旋霍尔角的来源是Co上下界面间的自旋轨道耦合相互作用。在保持较大热稳定性条件下,磁化翻转电流密度仍为10~6 A/cm~2数量级,这主要由于上下层重金属(Pt和Ta)相反的自旋霍尔角。综上所述,本文中实验制备并优化出了良好热稳定性的垂直取向Pt/Co/Pt和Pt/Co/Ta磁性多层膜,在Ta/Pt/Co/Ta多层膜中获得较大各向异性场,并实现了较小的磁化翻转电流密度。
【图文】：

示意图,磁化方向,磁性结构,方向

山西师范大学硕士学位论文利用自旋霍尔效应和自旋轨道耦合相互作用这a/Pt/Co/Ta 这两个体系中进行的反常霍尔效应、面随温度变化的相关研究内容。异性产生的原因有两方面：自旋轨道耦合和磁偶极之性来源于磁偶极作用，磁晶各向异性来源于自旋形状各向异性(磁化方向相对于形状的改变引起(磁化方向相对于晶轴方向的改变引起能量的变化构决定材料的磁晶各向异性。能量最小的方向，的磁化方向，，称为磁化易轴(easy axis)；磁化难向消耗能量最大的方向。

相结构,霍尔效应

Co和Pt层FCC(111)相结构图
【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】