人工反铁磁多层膜器件中电流操控磁化翻转机制的研究

The synthetic antiferromagnetic(SAF) multilayer is candidate for next generation spintronic storage device since the exchange coupling torque in it helps lowering the energy consumption. However, the relationship between the spin-orbit torque(SOT), the Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction, and the interlayer exchange coupling(IEC) is not fully studied and the method for manipulating them is not fully developed. Based on the previous research, we plan to continue fabricating the SAF devices consisting of ferromagnetic layer(FM)/insert layer(IL)/middle layer/IL/FM by magnetron sputtering. Magneto-transport measurement and magneto-optical imaging will be utilized to characterize the devices. By modifying the sign and amplitude of the DM interactions of the two FM layers, we try to research how the coupling of the DM interactions affect the SOT. By changing the component and thickness of the middle layer, we try to investigate the relationship between the spin absorption and the IEC. By utilizing the DM interaction and the IEC, we learn the movement of the SAF domain and try to achieve low-energy consumption current-driven magnetization switching without the external field. Finally, we will grasp the relationship between the SOT, the DM interaction, and the IEC, providing information for fully understanding of the physical mechanism and better design of low-energy consumption magnetic storage devices.

人工反铁磁多层膜中存在层间耦合引入的转矩效应，具有制成低能耗的下一代自旋轨道转矩存储器件的潜力。然而，人工反铁磁多层膜中自旋轨道扭矩、Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用和层间交换耦合三者之间的关系和调控的机制尚不清楚。我们拟采用磁控溅射方法生长带有插层的人工反铁磁多层膜并制备成器件，利用磁电输运测量和磁光显微技术观测器件中磁畴的电流驱动演化过程。通过改变界面插层的成分和厚度改变DM相互作用的符号和大小，研究两个铁磁层DM相互作用在人工反铁磁结构中对自旋轨道转矩的影响。通过改变中间层的厚度和结构，弄清中间层的自旋吸收效应与层间耦合的关系。制备具有诱导磁性层的人工反铁磁器件，利用DM相互作用和层间耦合实现无外场辅助的低能耗电流驱动磁化翻转。深入理解自旋轨道扭矩、DM相互作用和层间交换耦合三者之间的关系，为搞清其中的物理机制和设计低能耗的磁性存储器提供可靠的依据。

自旋轨道扭矩效应为新型磁存储器和自旋轨道纳米振荡器等新型器件提供了电控磁的驱动力，是自旋电子学最新的研究前沿之一。而人工反铁磁结构由于保留铁磁层电输运特性的同时降低了净磁矩杂散磁场且具有高频响应的潜力，也是磁学研究的活跃领域。该项目的主要研究内容是将人工反铁磁结构与自旋轨道扭矩效应结合，探索人工反铁磁层在自旋轨道扭矩作用下的磁矩演化规律，以及反铁磁耦合对自旋轨道扭矩相关效应的调控。.在前期工作的基础上，我们设计了通过反铁磁层间耦合钉扎局部磁化状态的畴壁跑道器件，利用电流驱动畴壁的移动成功实现了无外场条件的全电驱动磁矩翻转，具有应用的潜在价值。同时，利用这一结构我们分析了自旋轨道扭矩驱动力在面内磁场与DM相互作用竞争下的演化。.在反铁磁耦合Co/Ho双层结构中，我们发现Ho层的厚度变化对自旋霍尔角和DM相互作用有明显的调制作用，当Ho层厚度为2.4nm时分别达到0.137和1.24mJ m-2。Ho层厚度小于5nm时实现了临界电流小于106 A cm-2的磁矩翻转。.我们与物理研究所的何为老师合作，制备了CoFeB/Ir/CoFeB三层膜结构并为研究了人工反铁磁结构的高频响应特性。研究发现，当Ir中间层厚度为0.6nm和1.2nm时人工反铁磁结构中出现了磁子-磁子耦合。耦合的机制是人工反铁磁结构中两个铁磁层厚度不同时，结构的反演对称性被打破，此时自旋波模式之间发生耦合，由反交叉带隙代表的耦合强度分别为0.09GHz-1.4GHz(0.6nm)和0.54-0.9GHz(1.2nm)。这一发现加深了对自旋波耦合与调控的认识，有助于探索基于混合磁子系统的量子信息技术。.另一方面，我们对具有反铁磁耦合特性的两种重金属层PtCr合金和PtRu合金进行了研究，研究发现两种合金的自旋转化效率分别在Pt比例为75%和80%时达到最大，与单质Pt相比提高60%左右。由于在PtCr合金中Pt为75%和50%时存在铁磁和反铁磁有序，DM相互作用在这两个成分点发生突变。而PtRu合金中实现了8×10-5 mA cm-2的低临界电流密度。