自旋轨道扭矩的调控及磁畴翻转过程研究

论文摘要

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。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 李尚坤

导师: 刘伟,张志东

关键词: 自旋电子学,自旋轨道扭矩,垂直磁各向异性,磁光克尔效应,相互作用

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O469

总页数: 97

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