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自旋轨道扭矩的调控及磁畴翻转过程研究

发布时间:2020-11-05 22:28
   信息技术的快速发展对存储器的存储密度、读写速度和稳定性等提出了更高的要求。为满足这些苛刻要求,近年来人们开始研究自旋轨道扭矩(SOT)。为了SOT相关器件得到实际应用,人们需要考虑如自旋轨道偶合层的电流-自旋流转换效率、磁性层的垂直磁各向异性能、与半导体退火工艺兼容性、隧道磁电阻等等诸多性能。目前SOT研究主要集中在如何提高SOT中的电流-自旋流转换效率,但对其与磁性隧道结的兼容性重视程度不够。另外,研究Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)、磁畴翻转的动态过程和对它们的高效调控方法,对实现高速高密度的赛道存储器以及无外场辅助的SOT器件也具有重要意义。基于SOT的研究现状,本论文研究了重金属/铁磁层/氧化层中SOT并对其进行了有效调控。(1)提出以Ta/W复合重金属层作为SOT器件的自旋轨道耦合层的方案。制备了 Ta/W/CoFeB/MgO多层膜,它不仅具有较好的耐热性、高的垂直磁各向异性,而且具有高达0.5有效自旋霍尔角。这一方案充分利用了Ta/CoFeB/MgO和重金属W各自的优势,从而增强了多层膜SOT效率和磁性能,为SOT器件的实际应用提供了有效途径。(2)实现了基于界面效应调控SOT效应的目标。在重金属/铁磁/氧化物多层膜中有许多与界面相关的效应,例如垂直磁各向异性、自旋通过率、DMI等等,这些效应都与SOT器件密切相关。在Ta/CoFeB中引入超薄W插层、在Pt/CoFe中引入NiO插层,两种插层均提高了体系自旋霍尔角,还降低了电流诱导磁化翻转所需的辅助外场。最后观察磁畴翻转动态过程指出磁畴翻转过程与辅助外场和DM等效场的共同作用有关。揭示了基于界面效应调控SOT的有效性,还首次利用电流实现了对MgO/CoFeB/MgO——双氧化镁自由层——的磁化翻转,为SOT器件与当下高密度的磁性隧道结的有效结合提供了实验基础。
【学位单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2019
【中图分类】:O469
【部分图文】:

磁性,原子,轨道角动量,自旋角动量


原子核的经典图像中,电子具有轨道角动量L和自旋角动量S对应两种磁矩,即轨道角动量/Wfi和自旋角动量#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)就是以上两种磁矩的相互作用。从经典角度来看,矩与其余电子所产生的磁场的相互作用,它本质上是电子磁矩核所产生的电场的轨道运动中所感受到作用。这个能量可以用矩;u与磁场B相互作用的静磁能。当M与B平行是,塞曼能为??Eso?=?—Pspin’?Bs〇?=人s〇S?■?L,旋轨道耦合常数。由此,等效磁场与电子的轨道角动量=?meASfli/e。由于自旋轨道耦合的引入,原子中的电子的哈密互作用,还有自旋轨道耦合相互作用。对于新的哈密顿量,轨能相互独立取值,它们合起来构成了总角动量J,作为新哈密一

相互作用,界面,自旋轨道耦合,轨道角动量


?*?l^orb??图1.1原子磁性1*1。原子核的经典图像中,电子具有轨道角动量L和自旋角动量S。它们??对应两种磁矩,即轨道角动量/Wfi和自旋角动量#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.??自旋轨道耦合(SOI)就是以上两种磁矩的相互作用。从经典角度来看,就是电??子的自旋磁矩与其余电子所产生的磁场的相互作用,它本质上是电子磁矩在带有??正电的原子核所产生的电场的轨道运动中所感受到作用。这个能量可以用塞曼能??表述,即磁矩;u与磁场B相互作用的静磁能。当M与B平行是,塞曼能为??Eso?=?—Pspin’?Bs〇?=人s〇S?■?L,?(1-5)??其中;是自旋轨道耦合常数。由此,等效磁场与电子的轨道角动量L可以??表示为=?meASfli/e。由于自旋轨道耦合的引入

磁性材料,电荷密度,界面


除了上述具有低对称性的磁性体系中存在DM相互作用外,人们还在磁性??多层膜中发现了表面DM相互作用。在多层膜体系中,产生反对称交换作用的对??称性破缺有异质界面提供[16,171。如图1.2所示,当3d磁性层与具有强自旋轨道??耦合的5d重金属接触时,在界面处产生了?DM相互作用,其中DMI矢量2^在??界面内[181。根据第一性原理计算得到DMI主要由界面处的原子决定,因此该效??应又被称为界面DMI。??针对重金属/3d铁磁层界面的界面DMI的微观起源,人们提出不同的解释。??一方面,根据第一性原理计算的最新结果认为,界面处的自旋轨道耦合,即3d-??5d轨道的杂化,费米面相对于5d电子能带的位置共同决定了界面DMI的强度??和符号。另一方面,通过在重金属中掺杂具很高电负性的轻原子可以调控界面??DMI的强度和符号,表明重金属层的电负性决定这界面DMI。??3巡游电子体系中的磁性起源??在宏观的凝聚态物质中
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