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垂直磁化异质结的磁性及电输运性质研究

中文摘要

磁学的研究历史可以追溯到数千年前，人们早已知道指南针的使用和地磁现象。随

着科技的进步和实验技术的发展，磁学的研究逐渐深入。磁性材料在信息存储、传感器、

电动机、变压器等领域得到广泛应用。此外，磁学的研究还为量子计算、量子通信、自

旋电子器件等领域的发展提供了新的思路和方法。其中，自旋电子学是近年来发展迅速

的一个新兴领域，旨在将电子自旋作为信息载体实现信息的存储和传输。目前，自旋电

子学已经成为研究磁性材料、自旋输运、磁电耦合、自旋电子器件等领域的重要学科。

在自旋电子学领域中，一些新的物理现象和技术也被发现和应用，例如自旋霍尔磁电阻

效应、自旋塞贝克效应、拓扑霍尔效应、自旋注入、自旋轨道转矩(SOT)等。自旋电子

学的发展还带来一些新的应用，如自旋逻辑、自旋计算等。这些应用有望为信息处理领

域带来更高效、更可靠的解决方案。

在当今大数据时代下人们对数据存储器的需求越来越高，因此要求存储器在高密度、

高效率、高稳定性、低功耗等方面取得进一步突破。为了实现这些目标，可以通过选择

合适的材料和设计优化结构来改进磁性异质结体系。此外，在实际生产应用中，磁性材

料的垂直磁各向异性有利于高密度存储和逻辑器件的实现。基于此，本论文研究了电压

调控亚铁磁CoTb/Pd异质结磁矩翻转、Pt/CoTb/NM异质结中的SOT、Pt/CoTb/Ta异质

结中反铁磁态拓扑霍尔效应以及Pt/Co/Cu-CuOx结构中的轨道转矩，研究中所涉及的磁

性异质结均具有垂直磁各向异性。具体研究内容如下：

1.系统研究了影响体垂直磁各向异性亚铁磁CoTb薄膜磁性的多种因素，发现

CoTb/Pd薄膜磁性与组成含量、温度、Pd和CoTb厚度密切相关；利用Pd在电化学池

中施加电压后可吸附/解吸氢原子特性，在CoTb/Pd结构中实现了电压对CoTb磁各向异

性和磁补偿温度的有效调控，且可以在小电压下有效控制CoTb磁矩状态，实现电调控

磁矩翻转。

2.探究了不同顶层材料对重金属(HM)/亚铁磁金属(FIM)/非磁性金属(NM)垂直磁

化异质结磁矩翻转及转矩效率的影响。以垂直磁化的Pt/CoTb/NM(Al、Cu和Ta)异质结

为研究对象，通过磁场驱动磁化翻转测试，发现该体系中不同顶层异质结的磁场驱动磁

I

畴翻转均由畴壁退钉扎模型主导；在Pt/CoTb/Ta中，SOT效率的提升表明利用相反自旋

霍尔角的重金属Pt和Ta作为SOT源可以显著增强体系的转矩效率。该结果为未来设计

基于TM-RE亚铁磁材料的高效自旋电子器件提供了实验基础。

3.深入研究了重金属/亚铁磁多层结构的磁性和拓扑霍尔效应，首次在亚铁磁材料

中观察到反铁磁态拓扑霍尔效应。Pt/CoTb/Ta不同温度的霍尔测量表明，在磁补偿温度

附近亚铁磁CoTb中共存反常霍尔效应和拓扑霍尔效应；在磁补偿温度时CoTb呈现反

铁磁态，此时仅有拓扑霍尔信号，这是反铁磁态金属多层膜中存在拓扑自旋织构的首次

实验证明。同时，Pt/CoTb/Pt多层膜和单层CoTb薄膜中并没有观察到拓扑霍尔信号，

这表明Pt/CoTb/Ta中的拓扑霍尔效应来自界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，并进一

步通过拟合数据排除了反常霍尔信号叠加引起伪拓扑霍尔信号的可能性。

4.在Pt/Co/Cu-CuO多层膜中利用自旋轨道矩和轨道转矩协同提升体系的转矩效率

x

和自旋霍尔角。以垂直磁各向异性Pt/Co/Cu-CuOx异质结为研究对象，通过调控弱SOC

轻金属Cu的表面氧化程度，发现室温下Pt/Co/Cu-CuO(2.3)的转矩效率和自旋霍尔角较

x

Pt/Co/Cu-CuO(11.5)提高5倍之多。控制变量测试证明这一显著的增强源于Cu/CuO界

xx

面产生的轨道转矩和重金属Pt层提供的SOT，它们协同驱动了磁性层