基于Pt_[Co_X (X=Tb、Dy、Sm)]N垂直磁化异质结的自旋轨道矩研究.pdfVIP

基于Pt/[Co/X(XTb、Dy、Sm)]垂直磁化异质结

N

的自旋轨道矩研究

中文摘要

随着人工智能、大数据时代的到来，数据的指数式增长对存储技术提出了越来越高

的要求。自旋电子器件因其固有的非易失性、抗辐射、优异稳定性以及与CMOS兼容

等优点，在航天航空、类脑应用、存算一体、概率计算以及新型信息材料器件中得到了

广泛应用。目前，基于垂直磁化的自旋轨道矩基磁性随机存储器（SOT-MRAM）由于具

有更高的存储密度、更好的热稳定性和更低的功耗，有望成为新一代信息存储器件的候

选者。SOT-MRAM的信息写入主要利用了重金属/铁磁金属（HM/FM）垂直磁化异质结

中HM层强的自旋轨道耦合作用或者界面反演非对称性，通过自旋霍尔效应或界面

RashbaFMFM

效应将电荷流转化为纯自旋流并被邻近层吸收，从而利用自旋对层磁矩

施加转移力矩作用，实现磁矩状态变化。由于体系自旋流的转化效率直接影响磁矩翻转

所需的临界电流密度，因而选择较大自旋霍尔角的材料或者对界面进行修饰提升自旋透

4f

过率，可实现低能耗的磁矩翻转。本论文利用具有强自旋轨道耦合作用的稀土金属

（REM）构建[FM/REM]N多层膜，研究了稀土金属对Pt/[Co/X(XTb、Dy、Sm)]N垂直

磁化异质结中自旋轨道矩驱动磁矩翻转的影响。具体研究内容和结论如下：

1Ta/Pt/[Co/Tb]/TaN3

（）利用磁控溅射方法制备出具有良好垂直磁各向异性的N（，

5，7，9）多层膜结构。通过基于反常霍尔效应的电输运测量表明：该系列垂直磁化异

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2~510A/cm

质结的临界翻转电流密度为×，实现了较低电流密度的磁矩翻转。特别是

N3样品在退火温度为450K时可以实现零面内辅助磁场翻转且临界翻转电流密度为

1.4×106A/cm2。此外，利用二次谐波技术对样品的自旋轨道矩进行了定量分析，发现

该体系的自旋轨道矩效率较高。当N7时，其有效自旋霍尔角高达约0.714，这为进一

步实现高密度，低功耗的自旋轨道矩基磁性存储器提供了实验基础。

（2）利用磁控溅射方法制备了具有垂直磁各向异性的Ta/Pt/[Co/Dy]/Ta（N5，7，

N

9N

）多层膜结构，探究了样品垂直磁各向异性场和自旋轨道矩效率随周期数的依赖关

系。当N5时，样品的垂直磁各向异性场高达约8500Oe，这为器件的热稳定性提供了

I

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有力支撑。另外，该系列样品的临界翻转电流密度在4~6×10A/cm范围。样品有效自

旋霍尔角最大为0.328，相对较低的临界翻转电流密度和较大的有效自旋霍尔角揭示了

Dy

稀土金属在自旋轨道矩驱动磁矩翻转中扮演了重要角色。

（3）利用磁控溅射方法制备了Ta/Pt