發(fā)布時間：2020-11-05 22:28

　　 信息技術(shù)的快速發(fā)展對存儲器的存儲密度、讀寫速度和穩(wěn)定性等提出了更高的要求。為滿足這些苛刻要求,近年來人們開始研究自旋軌道扭矩(SOT)。為了SOT相關(guān)器件得到實際應(yīng)用,人們需要考慮如自旋軌道偶合層的電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率、磁性層的垂直磁各向異性能、與半導(dǎo)體退火工藝兼容性、隧道磁電阻等等諸多性能。目前SOT研究主要集中在如何提高SOT中的電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率,但對其與磁性隧道結(jié)的兼容性重視程度不夠。另外,研究Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)、磁疇翻轉(zhuǎn)的動態(tài)過程和對它們的高效調(diào)控方法,對實現(xiàn)高速高密度的賽道存儲器以及無外場輔助的SOT器件也具有重要意義�；�于SOT的研究現(xiàn)狀,本論文研究了重金屬/鐵磁層/氧化層中SOT并對其進行了有效調(diào)控。(1)提出以Ta/W復(fù)合重金屬層作為SOT器件的自旋軌道耦合層的方案。制備了 Ta/W/CoFeB/MgO多層膜,它不僅具有較好的耐熱性、高的垂直磁各向異性,而且具有高達0.5有效自旋霍爾角。這一方案充分利用了Ta/CoFeB/MgO和重金屬W各自的優(yōu)勢,從而增強了多層膜SOT效率和磁性能,為SOT器件的實際應(yīng)用提供了有效途徑。(2)實現(xiàn)了基于界面效應(yīng)調(diào)控SOT效應(yīng)的目標。在重金屬/鐵磁/氧化物多層膜中有許多與界面相關(guān)的效應(yīng),例如垂直磁各向異性、自旋通過率、DMI等等,這些效應(yīng)都與SOT器件密切相關(guān)。在Ta/CoFeB中引入超薄W插層、在Pt/CoFe中引入NiO插層,兩種插層均提高了體系自旋霍爾角,還降低了電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)所需的輔助外場。最后觀察磁疇翻轉(zhuǎn)動態(tài)過程指出磁疇翻轉(zhuǎn)過程與輔助外場和DM等效場的共同作用有關(guān)。揭示了基于界面效應(yīng)調(diào)控SOT的有效性,還首次利用電流實現(xiàn)了對MgO/CoFeB/MgO——雙氧化鎂自由層——的磁化翻轉(zhuǎn),為SOT器件與當下高密度的磁性隧道結(jié)的有效結(jié)合提供了實驗基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O469
【部分圖文】：

原子核的經(jīng)典圖像中，電子具有軌道角動量Ｌ和自旋角動量Ｓ對應(yīng)兩種磁矩，即軌道角動量／Ｗｆｉ和自旋角動量＃ｓｐｆ？。??ｔｏｍｉｃ?ｍａｇｎｅｔｉｓｍ．?Ｉｎ?ａ?ｃｌａｓｓｉｃａｌ?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｎ?ａｔｏｍ，?ａｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｈａｓ?ｔｈｅ?ｏｍｅｎｔｕｍ?Ｌａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ａｎｇｕｌａｒ?ｍｏｍｅｎｔｒｕｍ?Ｓ．?Ｔｈｅｉｒ?ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ?ｍａａｒｅ?ｔｈｅ?ｏｒｂｉｔａｌ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｉｘｏｒｂ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｆｉ道耦合（ＳＯＩ）就是以上兩種磁矩的相互作用。從經(jīng)典角度來看，矩與其余電子所產(chǎn)生的磁場的相互作用，它本質(zhì)上是電子磁矩核所產(chǎn)生的電場的軌道運動中所感受到作用。這個能量可以用矩；ｕ與磁場Ｂ相互作用的靜磁能。當Ｍ與Ｂ平行是，塞曼能為??Ｅｓｏ?＝?—Ｐｓｐｉｎ’?Ｂｓ〇?＝人ｓ〇Ｓ?■?Ｌ，旋軌道耦合常數(shù)。由此，等效磁場與電子的軌道角動量＝?ｍｅＡＳｆｌｉ／ｅ。由于自旋軌道耦合的引入，原子中的電子的哈密互作用，還有自旋軌道耦合相互作用。對于新的哈密頓量，軌能相互獨立取值，它們合起來構(gòu)成了總角動量Ｊ，作為新哈密一

?＊?ｌ＾ｏｒｂ??圖１．１原子磁性１＊１。原子核的經(jīng)典圖像中，電子具有軌道角動量Ｌ和自旋角動量Ｓ。它們??對應(yīng)兩種磁矩，即軌道角動量／Ｗｆｉ和自旋角動量＃ｓｐｆ？。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ａｔｏｍｉｃ?ｍａｇｎｅｔｉｓｍ．?Ｉｎ?ａ?ｃｌａｓｓｉｃａｌ?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｎ?ａｔｏｍ，?ａｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｈａｓ?ｔｈｅ?ｏｒｂｉｔａｌ??ａｎｇｕｌａｒ?ｍｏｍｅｎｔｕｍ?Ｌａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ａｎｇｕｌａｒ?ｍｏｍｅｎｔｒｕｍ?Ｓ．?Ｔｈｅｉｒ?ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ?ｍａｇｎｅｔｉｃ??ｍｏｍｅｎｔｓ?ａｒｅ?ｔｈｅ?ｏｒｂｉｔａｌ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｉｘｏｒｂ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｓｐｉｎ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｍｏｍｅｎｔ?ｆｉｓｐｉｎ．??自旋軌道耦合（ＳＯＩ）就是以上兩種磁矩的相互作用。從經(jīng)典角度來看，就是電??子的自旋磁矩與其余電子所產(chǎn)生的磁場的相互作用，它本質(zhì)上是電子磁矩在帶有??正電的原子核所產(chǎn)生的電場的軌道運動中所感受到作用。這個能量可以用塞曼能??表述，即磁矩；ｕ與磁場Ｂ相互作用的靜磁能。當Ｍ與Ｂ平行是，塞曼能為??Ｅｓｏ?＝?—Ｐｓｐｉｎ’?Ｂｓ〇?＝人ｓ〇Ｓ?■?Ｌ，?（１－５）??其中；是自旋軌道耦合常數(shù)。由此，等效磁場與電子的軌道角動量Ｌ可以??表示為＝?ｍｅＡＳｆｌｉ／ｅ。由于自旋軌道耦合的引入

除了上述具有低對稱性的磁性體系中存在ＤＭ相互作用外，人們還在磁性??多層膜中發(fā)現(xiàn)了表面ＤＭ相互作用。在多層膜體系中，產(chǎn)生反對稱交換作用的對??稱性破缺有異質(zhì)界面提供［１６，１７１。如圖１．２所示，當３ｄ磁性層與具有強自旋軌道??耦合的５ｄ重金屬接觸時，在界面處產(chǎn)生了?ＤＭ相互作用，其中ＤＭＩ矢量２＾在??界面內(nèi)［１８１。根據(jù)第一性原理計算得到ＤＭＩ主要由界面處的原子決定，因此該效??應(yīng)又被稱為界面ＤＭＩ。??針對重金屬／３ｄ鐵磁層界面的界面ＤＭＩ的微觀起源，人們提出不同的解釋。??一方面，根據(jù)第一性原理計算的最新結(jié)果認為，界面處的自旋軌道耦合，即３ｄ－??５ｄ軌道的雜化，費米面相對于５ｄ電子能帶的位置共同決定了界面ＤＭＩ的強度??和符號。另一方面，通過在重金屬中摻雜具很高電負性的輕原子可以調(diào)控界面??ＤＭＩ的強度和符號，表明重金屬層的電負性決定這界面ＤＭＩ。??３巡游電子體系中的磁性起源??在宏觀的凝聚態(tài)物質(zhì)中
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本文編號：2872273