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电流驱动垂直磁化异质结磁矩翻转和磁畴壁运动的研究

随着大数据时代的到来,海量的信息对数据存储器件提出了越来越高的要求,

也使得当前的信息存储技术面临着诸多挑战。因此,如何能更高效更大容量地存

储信息显得尤为重要。相比于传统的半导体随机存储器,近年来逐步发展起来的

磁性随机存储器(MRAM)因其具有非易失性、高密度、高稳定性、低功耗、抗辐射

等优点有望成为下一代信息存储器的候选者。在MRAM的研究当中,最具有发展潜

力的是以自旋轨道矩(Spin-orbittorque)作为驱动的磁性随机存储(SOT-MRAM)。

它主要是在重金属/铁磁金属垂直磁化薄膜结构中,利用重金属的强自旋轨

道耦合作用,通过自旋霍尔效应或/和界面的Rashba效应将电荷流转化为纯自旋

流或界面的自旋积累注入到毗邻的磁性层,进而对磁性层的磁矩施加自旋轨道力

矩的作用实现磁矩的翻转。目前,基于自旋轨道矩的研究主要集中在调控磁矩的

翻转、驱动手性磁畴壁的运动、激发高频的磁振荡以及驱动磁斯格明子的运动等

方面。其中,更高效更快速地驱动磁矩翻转和手性磁畴壁运动是研究的重点。因

此在本论文的工作中,主要研究了垂直磁化异质结中电流驱动磁矩翻转的机理和

磁畴壁运动的规律,具体内容如下:第一,重点研究了垂直磁化异质结中电流诱导

自旋轨道矩驱动磁矩翻转的物理机制以及焦耳热在其中扮演的角色。

在具有相似自旋霍尔角和不同垂直磁各向异性的Pt/Co/SmO_x和

Pt/Co/AlO_x样品体系中,临界翻转电流密度却粗略地保持一致,表明磁矩的一

致转动模型并不能够完全解释电流驱动的磁矩翻转。相反,通过利用磁光克尔显

微镜(MagnetoopticalKerrmicroscope)观察畴壁的成核和长大以及定量地比

较类阻尼(Damping-like)自旋轨道矩等效的有效场、翻转场和磁各向异性场的大

小,得出结论:电流驱动的磁矩翻转是由畴壁退钉扎模型主导;临界的翻转电流密

度不仅与自旋轨道矩的大小有关而且还与翻转场(即退钉扎场)有关;电流产生的

焦耳热通过降低翻转场和提高自旋轨道矩效率而对磁矩翻转有辅助作用。第二,

在Pt/Co/Ta垂直磁化异质结的研究中,利用具有相反符号自旋霍尔角的重金属

Pt和Ta可以极大增强体系有效的自旋轨道矩,从而获得较低的临界翻转电流密

度(~2.82×10~6A/cm~2)。此外,制备Pt/Co/C/Ta垂直磁化异质结,利用石墨(C)

对Co/Ta界面进行修饰,研究了C修饰后体系的垂直磁各向异性场、翻转场、饱

和磁化强度、自旋轨道矩以及临界翻转电流密度等参量的变化以及温度对它们的

影响。

结果显示C修饰后各向异性场和类阻尼有效场明显降低而临界翻转电流密

度却没有明显变化,表明磁矩翻转过程中尽管驱动力─类阻尼有效场降低,然而

降低的磁各向异性场增加了磁矩的热扰动性,因此在热辅助的磁化翻转中仍可以

获得比较低的临界翻转电流密度(~3.39×10~6A/cm~2)。另外,翻转电流密度随温

度的升高而降低也揭示出温度对磁矩翻转具有辅助作用。这对进一步提高翻转效

率以及理解翻转过程中的各种相关因素提供新的思路。第三,在Pt/Co/Ta和

Pt/Co/C/Ta垂直磁化异质结中,利用磁光克尔显微镜研究了电流驱动手性磁畴

壁运动的规律。

实验表明界面的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)主要来自于Pt/Co

界面的贡献,而Co/Ta或Co/C界面对其影响较小。此外,在电流驱动畴壁运动中,

当施加与外磁场数值相同的电流产生的有效场时,电流驱动的畴壁运动速率要比

单独施加外磁场驱动的畴壁运动速率大10~3量级,表明电流产生的焦耳热对畴

壁运动的速率有很大影响。更重要的是,在电流驱动畴壁运动中,观察到了非常明

显的畴壁倾斜现象,然而在磁场驱动过程中这种现象却不明显,揭示出电流产生

的奥斯特磁场(Oerstedfield)对畴壁的倾斜有重要的决定作用。这些研究为自

旋轨道矩驱动畴壁运动的赛道存储器应用提供设计思路。