磁性异质结中自旋矩相关问题的研究
发布时间：2020-06-17 06:39
【摘要】：随着器件尺寸的不断减小,基于半导体技术的存储器及逻辑器件正面临着极大挑战,而基于电子自旋相关输运效应的磁随机存储器和磁逻辑器件,因具有非易失性、低能耗、快速操作等优点而受到广泛关注。磁随机存储器的核心元件是铁磁性隧道结,信息的读取机制是基于隧穿磁电阻效应,而目前广泛采用的写入方法则是利用自旋极化电流产生的力矩作用翻转铁磁性隧道结磁性层的磁化方向。这种可能翻转铁磁性隧道结磁化方向的力矩有两种形式:一种是基于自旋角动量转移效应产生的自旋转移力矩;另一种是基于自旋轨道耦合效应产生的自旋轨道矩。深入理解隧道结磁化翻转动力学中这两种力矩的作用和机制有助于优化隧道结器件结构,提高自旋转矩的的效率,有利于设计并构筑具有更低写入能耗的磁存储或逻辑器件。本论文以磁性异质结为对象,研究了自旋转移力矩和自旋轨道矩在新型自旋存储技术和逻辑器件中的应用。论文的主要成果如下:(1)制备了两种基于Co2MnSi半金属的铁磁性隧道结结构,分别为对称结构Co2MnSi/MgO/Co2MnSi和非对称结构Co2MnSi/MgO/CoFe。其中,对称结构隧道结的室温隧穿磁电阻效应高达88%。进一步,利用自旋矩铁磁共振技术测量了两种结构中自旋转移力矩的两个分量(类阻尼力矩和类场力矩),并研究了它们的偏压特性。发现在两种结构中,类阻尼力矩都呈现线性特征。而对比于对称结构,非对称结构中的类场力矩在二次型特征上还出现一个额外的线性特征。我们利用自由电子模型研究了这种现象的物理机制。另外,论文研究还发现,Heusler合金的低阻尼和低饱和磁化强度特性比其半金属性更有可能大幅提高自旋转移力矩的效率。(2)制备了W(O)/x/CoFeB系列磁性多层膜(x为插入层Au或Cu),将一个可忽略自旋轨道耦合效应的薄层插入到W(O)/CoFeB的界面处,利用自旋矩铁磁共振技术研究了该系列多层膜的自旋轨道矩效应及其产生机制。研究发现,在以W(O)作为自旋流产生层的体系中,插入层的存在抑制了测量得到的有效自旋霍尔角,这与利用自旋透过率公式估算的数值不符。材料块体透过率机制与实际测得的有效自旋霍尔角之间的差异,表明W(O)/CoFeB体系中自旋轨道矩的产生来源于界面效应。另外,本研究确认了W(O)体系的自旋霍尔角为-50%,这也是目前在传统金属体系中观察到的最大值。(3)以W(O)作为自旋流产生层,Co40Fe40B20作为隧道结的铁磁层,制备了一种新型三端器件,并针对该器件进行了自旋轨道矩翻转动力学研究。论文提出了一种新型的自旋轨道矩翻转方案,即在自旋极化方向与磁矩彼此不共线也没有外加磁场的条件下,可以通过调控纳米单元的非均匀微磁化状态来实现完全的磁化翻转。利用微磁模拟研究了多种类型的微磁化状态对自旋轨道矩翻转过程的影响。最后演示了这种无外加磁场的翻转方案如何用于逻辑器件,举例说明了利用两种构型的三端隧道结器件进行非易失性反相器(非门电路)的操作,进而构筑出非易失性纳米磁性逻辑电路。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386;TP333
【图文】：
在ＧａＡｓ邋（１００）基片上生长了晶格取向为（１００）的Ｆｅ／Ｃｒ／Ｆｅ单晶薄膜，通过逡逑研究器件的电输运特性，发现在Ｃｒ层厚度为０．９邋ｎｍ并且在４．２邋Ｋ的温度条逡逑件下，当电流平行于膜面时，测得的磁电阻高达８０％邋（图２－２ａ）。德国科学家逡逑Ｇｒｉｉｎｂｅｒｇｌ１】和法国科学家Ｆｅｒｔｌ２］分别独立进行的实验研[偅狈⑾至苏庖恍у义嫌Γ莆薮抛栊вΓǎ牵椋幔睿簦停幔纾睿澹簦铮颍澹螅椋螅簦幔睿悖澹虺疲牵停遥＃玻埃埃纺辏饬藉义衔豢蒲Ъ夜餐竦昧伺当炊锢硌Ы薄＃樱簦酰幔颍翦澹校幔颍耄椋畹龋郏矗担笨沽隋澹茫铮茫醵嗖沐义夏さ难芯浚郏叮贰浚卜⑾至隋澹牵停倚вΓㄍ迹玻玻猓⑾郑茫醪愫穸然嵊跋焯挪沐义霞涞姆刺篷詈献饔茫梅刺篷詈铣芍芷谛缘恼竦矗涫当龋粒停掖笠诲义现亮礁鍪考叮庖皇笛槌晒牵停业牡骺靥峁┝死砺酆褪笛橐谰荨＃牵停义义闲вΦ姆⑾郑孕缱友в胧导视τ媒裘芙岷掀鹄矗宰孕缱友У姆⒄瑰义暇哂兄卮笠庖濉ｅ义希保冲澹义
本文编号：2717227
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386;TP333
【图文】：
在ＧａＡｓ邋（１００）基片上生长了晶格取向为（１００）的Ｆｅ／Ｃｒ／Ｆｅ单晶薄膜，通过逡逑研究器件的电输运特性，发现在Ｃｒ层厚度为０．９邋ｎｍ并且在４．２邋Ｋ的温度条逡逑件下，当电流平行于膜面时，测得的磁电阻高达８０％邋（图２－２ａ）。德国科学家逡逑Ｇｒｉｉｎｂｅｒｇｌ１】和法国科学家Ｆｅｒｔｌ２］分别独立进行的实验研[偅狈⑾至苏庖恍у义嫌Γ莆薮抛栊вΓǎ牵椋幔睿簦停幔纾睿澹簦铮颍澹螅椋螅簦幔睿悖澹虺疲牵停遥＃玻埃埃纺辏饬藉义衔豢蒲Ъ夜餐竦昧伺当炊锢硌Ы薄＃樱簦酰幔颍翦澹校幔颍耄椋畹龋郏矗担笨沽隋澹茫铮茫醵嗖沐义夏さ难芯浚郏叮贰浚卜⑾至隋澹牵停倚вΓㄍ迹玻玻猓⑾郑茫醪愫穸然嵊跋焯挪沐义霞涞姆刺篷詈献饔茫梅刺篷詈铣芍芷谛缘恼竦矗涫当龋粒停掖笠诲义现亮礁鍪考叮庖皇笛槌晒牵停业牡骺靥峁┝死砺酆褪笛橐谰荨＃牵停义义闲вΦ姆⑾郑孕缱友в胧导视τ媒裘芙岷掀鹄矗宰孕缱友У姆⒄瑰义暇哂兄卮笠庖濉ｅ义希保冲澹义
本文编号：2717227
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