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磁性多层膜中转矩效率提升和磁化翻转研究

中文摘要

当今社会是一个信息融合的时代，每天都有大量的数据需要存储和处理，对存储密

度高、功耗低、速度快的新型存储器的需求越来越大，非易失磁性随机存储器（MRAM）

受到了广泛的青睐。由于目前商业化的STT-MRAM存在耐久性差等问题，人们把目光

转向基于自旋轨道转矩（SOT）效应的SOT-MRAM，这种器件具有更快的速度、更低的

功耗以及更好的耐久性等优点，而提升电荷流-自旋流转化效率是实现这些特性的关键。

SOT通常是利用自旋霍尔效应（SHE）产生的自旋流注入磁性层，而这种SHE往往存

在于具有强自旋轨道耦合（SOC）的重金属材料中，这就严重限制了材料的选择空间，

同时器件的电荷流-自旋流转换效率也偏低。最近理论和实验研究表明，除了重金属中

SHE产生自旋流以外，部分弱SOC的轻金属氧化可以产生轨道流，进而转化成自旋流，

可大幅提升转矩效率。因此，通过合理的材料选择和结构设计，提高轨道流到自旋流转

化效率，进而提高转矩效率、降低临界翻转电流密度成为目前自旋电子学领域的另一个

研究热点。本论文通过磁控溅射方法制备了一系列具有垂直磁各向异性的Ta/Pt/Co/Cu、

Ta/Pt/Co/Ta/Cu多层膜，对其结构、磁性以及电输运性质进行了研究，主要研究内容和

结论如下：

（1）通过调节实验参量，优化出表面粗糙度小和（111）取向的Cu薄膜，使其满

足后续产生轨道流的要求；在此基础上制备了Ta/Pt/Co/Cu多层膜，通过自然氧化实现

了CuO/CuO/Cu梯度结构。Ta/Pt/Co/Cu多层膜磁性和反常霍尔效应结果表明其具有良

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好垂直磁各向异性，热稳定性好，各向异性场均大于4000Oe，且发现了0.13%的室温

自旋霍尔磁电阻效应。

（2）在Ta/Pt/Co/Cu-CuOX（t）体系中，通过降低Cu层厚度，转矩效率和自旋霍尔

角显著增加，3nm厚度Cu体系的转矩效率是10nm厚度Cu体系的2.3倍，最大自旋

霍尔角达到0.93±0.04，远高于重金属/铁磁体系；转矩效率和自旋霍尔角的增强源于Cu-

CuOX界面产生的OT和底层Pt的SOT协同驱动效应；通过施加面内辅助场，Ta/Pt/Co/Cu-

CuOX样品均实现了电流驱动的磁化翻转，并且在施加正/负场时翻转方向正好相反，表

明磁化翻转的来源为SOT和OT；当Cu为3nm时临界翻转电流密度最小为2.21×107

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A/cm。

（3）通过在Co/Cu之间插入重金属Ta，利用具有强SOC的Ta来操纵Cu/Co界

面，在Ta/Pt/Co/Ta（t）/Cu多层膜中，t=1nm样品的转矩效率是t=0.5nm样品转矩

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效率的10倍，数值超过18Oe/（10A/cm），这可能是轨道流在Ta中扩散长度的临界

值，这个厚度既能保证轨道流穿过Ta层，还可以实现轨道流-自旋流的转化；通过施加

面内辅助场，Ta/Pt/Co/Ta（t）/Cu-CuOX样品均实现了由OT和SOT协同诱导的电流驱

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动的磁化翻转，t=1.0nm时临界翻转电流密度最小为1.66×10A/cm，在施加正/负场时

翻转方向正好相反，也表明磁化翻转的来源为SOT和OT。

关键词：磁性多层膜；反常霍尔效应；垂直磁各向异性；轨道转矩；电流驱动磁化翻转

InvestigationonTorqueEfficiencyImprovementand

MagnetizationSwitchinginMagneticMultilayerFilms

ABSTRACT

Todayssocietyisaneraofinformationconvergence,alargeamountofdataneedstobe

storedan