首页> 正文

自旋轨道矩驱动垂直磁化异质结磁矩翻转和磁畴壁运动的研究

2020-12-02阅读(766)

自旋轨道矩驱动垂直磁化异质结磁矩翻转和磁畴壁运动的研究

论文摘要

现如今,数据的爆炸式增长对数据存储技术提出了更高的要求。如何实现高效、稳定、低功耗以及非易失性的数据存储俨然成为了科学家们研究的热点之一。与传统的数据存储器相比,基于自旋轨道矩的磁性随机存储器（SOT-MRAM）凭借其较低的功耗、较高的存储密度、以及高效稳定的存储等优势在众多存储器中脱颖而出,成为了新一代磁性随机存储器的最佳候选者。对于SOT-MRAM而言,其信息写入是在具有垂直磁各向异性的重金属/铁磁层异质结中,利用重金属较强的自旋轨道相互作用,通过体的自旋霍尔效应（SHE）或者界面的Rashba效应,将电荷流转换为纯的自旋流注入到铁磁层,从而对磁矩或者磁畴壁施加自旋轨道力矩的作用,驱动磁矩翻转或者磁畴壁运动来实现的。与此同时,热稳定性作为SOT器件的重要参数之一,直接关系到数据存储的稳定性和有效性而被广泛研究。因此,如何实现高热稳定性的同时还拥有较高的自旋轨道矩效率,以及如何实现高效、可控的磁畴壁运动,俨然成为了目前自旋电子学研究的重点。围绕着这几个问题,我们利用磁控溅射技术制备了具有垂直磁各向异性的重金属/铁磁层异质结,通过电输运测量、磁光克尔显微镜等方法,对其自旋轨道矩驱动磁矩翻转和磁畴壁运动进行探究,主要得到以下创新成果:（1）利用自旋霍尔角符号相反的5d重金属Pt和3d过渡系金属Cr,成功制备了具有垂直磁各向异性的Pt/Co/Cr异质结构,系统地研究了垂直磁各向异性（PMA）和自旋轨道矩（SOTs）随Cr厚度的变化关系。首先,我们发现该体系的垂直磁各向异性场高达10 kOe,与其他Pt/Co基三层膜结构相比,该数值是迄今为止最大的。同时我们也揭示出如此强的垂直磁各向异性是由于Co和Cr之间较强的交换耦合作用导致的。接下来,我们在该体系中实现了较低临界电流密度（106A/cm2）的磁矩翻转,这归因于Pt和Cr具有相反符号的自旋霍尔角,使得该体系的自旋轨道矩得以增强,从而提高了翻转效率。此外,我们还利用谐波电压测试的方法定量地获取了该体系有效的自旋霍尔角为0.150.27。最后,我们发现该体系样品有效的自旋霍尔角与其纵向电阻率的平方成正比,揭示出该体系的自旋霍尔效应来自于本征的贡献。（2）通过磁光克尔显微镜,系统地研究了Pt/Co/Cr体系中磁畴壁在外磁场、自旋轨道矩作用下的运动规律。研究表明:在Dzyaloshinskii-Moriya相互作用下,该体系的磁畴壁结构属于左手性的Néel态磁畴壁;阐述了焦耳热对翻转场、磁畴壁运动的传播场以及磁畴壁运动速度的影响。其次,通过自旋轨道矩驱动磁畴壁的运动,在该体系中实现了无任何外场辅助下的磁矩翻转。最后利用手性磁畴壁在自旋轨道矩驱动下的运动规律,设计并实现了“与”、“或”、“非”、“与非”和“或非”五个布尔逻辑门,这对自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的实际应用具有重要意义。（3）利用Cr嵌入层对具有垂直磁各向异性的Pt/Co/Ta异质结进行界面修饰,成功制备了具有垂直磁各向异性的Pt/Co/Cr/Ta异质结。研究了界面修饰与垂直磁各向异性、自旋轨道矩、畴壁运动以及热稳定性的关系。实验表明:界面修饰前后,有效的垂直磁各向异性场从6000 Oe增加到了11500 Oe;系统有效的自旋霍尔角也从0.37增加到了0.41。这揭示了Cr的嵌入对体系的垂直磁各向异性和自旋轨道矩都有明显的增强,从而实现了更低电流密度的磁矩翻转。此外,磁场、自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的研究结果表明:Cr的嵌入虽然增强了系统的自旋轨道矩效率,但也提高了体系能量势垒,使得畴壁运动速度减小。该结果对深入理解自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的内在物理机制具有参考意义。（4）利用楔形的MgO超薄嵌入层,对具有垂直磁各向异性Ta/CoFeB/MgO异质结的Ta/CoFeB界面进行修饰,实现了无任何外磁场辅助下自旋轨道矩驱动的磁矩翻转（零场翻转）。并揭示出该零场翻转是由界面的Rashba效应诱导的面外有效磁场主导的。此外,该有效磁场的方向和大小与Ta/CoFeB界面的含氧量具有很强的依赖关系。这对深入理解Rashba效应诱导的磁矩翻转具有指导价值。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 磁性随机存储器
  •     1.1.1 磁场驱动型MRAM
  •     1.1.2 自旋转移矩驱动型MRAM（STT-MRAM）
  •     1.1.3 自旋轨道矩驱动型MRAM（SOT-MRAM）
  •   1.2 自旋轨道矩效应
  •     1.2.1 自旋轨道耦合
  •     1.2.2 自旋霍尔效应
  •     1.2.3 Rashba效应
  •   1.3 基于自旋轨道矩的垂直磁化翻转
  •     1.3.1 磁性薄膜的垂直磁各向异性
  •     1.3.2 自旋轨道矩驱动垂直磁矩翻转
  •     1.3.3 自旋轨道矩驱动磁畴壁运动
  •   1.4 本文的选题思路和研究的主要内容
  •   参考文献
  • 第二章 样品的制备及测试技术
  •   2.1 样品的制备
  •     2.1.1 磁控溅射制备样品薄膜
  •     2.1.2 激光直写和离子束刻蚀
  •   2.2 样品的表征
  •     2.2.1 薄膜样品厚度的测量
  •     2.2.2 薄膜样品表面形貌的测量
  •     2.2.3 样品成分的测量
  •     2.2.4 样品输运性质的测量
  •     2.2.5 磁畴壁运动的测量
  •   参考文献
  • 第三章 自旋轨道矩驱动Pt/Co/Cr垂直磁化异质结磁矩翻转及其物理机制的研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 样品制备条件对其性质的影响
  •     3.2.1 样品制备条件对薄膜表面形貌的影响
  •     3.2.2 样品制备条件对薄膜电阻率的影响
  •     3.2.3 样品的制备条件的选取
  •   3.3 Pt/Co/Cr异质结垂直磁各向异性随Cr厚度的变化关系
  •     3.3.1 样品表面形貌、成分以及断面形貌表征
  •     3.3.2 垂直磁各向异性随Cr厚度的变化关系
  •     3.3.3 焦耳热对样品磁性的影响
  •     3.3.4 外磁场驱动磁矩翻转机制
  •   3.4 自旋轨道矩驱动磁矩翻转
  •   3.5 电流产生自旋轨道矩的定量分析
  •     3.5.1 倍频及平面霍尔效应的测试
  •     3.5.2 自旋霍尔角随Cr厚度的变化关系
  •   3.6 电流产生自旋轨道矩的物理来源
  •   3.7 本章小结
  •   参考文献
  • 第四章 自旋轨道矩驱动Pt/Co/Cr垂直磁化异质结磁畴壁运动规律的研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 Pt/Co/Cr异质结磁畴壁类型的判定
  •   4.3 磁场驱动Pt/Co/Cr异质结磁畴壁的运动
  •   4.4 自旋轨道矩驱动Pt/Co/Cr异质结磁畴壁的运动
  •     4.4.1 焦耳热对畴壁运动的影响
  •     4.4.2 电流驱动磁畴壁运动实现零场翻转
  •     4.4.3 本节小结
  •   4.5 基于自旋霍尔效应的可编程自旋逻辑电路
  •     4.5.1 测量方法以及实验原理
  •     4.5.2 与、或、非、与非、或非五个逻辑门
  •   4.6 本章小结
  •   参考文献
  • 第五章 界面修饰对垂直磁化异质结自旋轨道矩以及磁畴壁运动的影响
  •   5.1 引言
  •   5.2 Cr嵌入层对Pt/Co/Ta异质结自旋轨道矩以及磁畴壁运动的影响
  •     5.2.1 Cr嵌入层对Pt/Co/Ta异质结垂直磁各向异性的影响
  •     5.2.2 Cr嵌入层对Pt/Co/Ta异质结自旋轨道矩的影响
  •     5.2.3 Cr嵌入层对Pt/Co/Ta异质结磁畴壁运动的影响
  •   5.3 MgO嵌入层对Ta/CoFeB/MgO异质结自旋轨道矩的影响
  •     5.3.1 MgO嵌入层对Ta/CoFeB/MgO异质结垂直磁各向异性的影响
  •     5.3.2 MgO嵌入层对Ta/CoFeB/MgO异质结磁矩翻转的影响
  •   5.4 本章小结
  •   参考文献
  • 第六章 总结和展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 工作展望
  • 在学期间的研究成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 崔宝山

    导师: 高美珍,席力

    关键词: 垂直磁各向异性,自旋霍尔效应,效应,自旋轨道矩,磁矩翻转,零场翻转,手性磁畴壁运动

    来源: 兰州大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,无机化工,计算机硬件技术

    单位: 兰州大学

    基金: 国家自然科学基金(No. 51671098,No51671057),大学长江学者和创新研究团队项目(No. IRT16R35),甘肃省自然科学基金(No. 17JR5RA210),中央高校基础研究经费(lzujbky-2015-122)

    分类号: O469;TP333;TQ138.26

    DOI: 10.27204/d.cnki.glzhu.2019.000081

    总页数: 123

    文件大小: 7964K

    下载量: 351

    相关论文文献

    • [1].自旋轨道作用的介观环的电导率[J]. 甘肃联合大学学报(自然科学版) 2010(02)
    • [2].自旋轨道转矩[J]. 物理 2017(05)
    • [3].Mn基合金/重金属异质结中的自旋轨道转矩研究进展[J]. 金属功能材料 2018(02)
    • [4].自旋轨道矩调控的垂直磁各向异性四态存储器结构[J]. 物理学报 2018(11)
    • [5].二维拓扑材料的新进展——纯平锡烯中存在大的拓扑能隙[J]. 物理 2019(05)
    • [6].三端磁隧道结的稳定性分析[J]. 物理学报 2019(20)
    • [7].碘代乙烷分子光解离的自旋轨道从头计算理论研究[J]. 原子与分子物理学报 2011(01)
    • [8].基于自旋轨道耦合效应的能带分裂机理[J]. 绵阳师范学院学报 2012(05)
    • [9].Cl(~2P)+D_2→DCl+D反应中波恩-奥本海默近似有效性的交叉分子束研究（英文）[J]. Chinese Journal of Chemical Physics 2020(02)
    • [10].具有自旋轨道耦合项的Manning-Rosen势的赝自旋对称解(英文)[J]. 原子与分子物理学报 2009(05)
    • [11].新型非局域磁纳米开关的原理和研究进展[J]. 信息记录材料 2015(02)
    • [12].基于朗道-利夫席茨-吉尔伯特方程的自旋阀动力学研究进展[J]. 信息记录材料 2014(03)
    • [13].SOSA模型下类氖铷离子在0.47nm～0.525nm范围内光谱的理论计算[J]. 西南民族大学学报(自然科学版) 2011(06)
    • [14].STT-MRAM存储器的研究进展[J]. 中国科学:物理学 力学 天文学 2016(10)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  

    自旋轨道矩驱动垂直磁化异质结磁矩翻转和磁畴壁运动的研究
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕论降 版权所有 鄂ICP备12018319号-6