磁性隧道結(jié)中垂直自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的微磁研究項(xiàng)目摘要

磁性隧道結(jié)是磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）的首選記錄單元材料，研究流過(guò)納米存儲(chǔ)單元的自旋極化電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用是當(dāng)前國(guó)際磁學(xué)界的一個(gè)重要熱點(diǎn)領(lǐng)域。與近幾年研究較多的面內(nèi)自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)相比，2008年新發(fā)現(xiàn)的垂直自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)是電流驅(qū)動(dòng)隧道結(jié)磁化翻轉(zhuǎn)的又一關(guān)鍵因素，對(duì)研發(fā)電流直接操控的自旋轉(zhuǎn)矩型MRAM至關(guān)重要。然而有關(guān)該效應(yīng)的物理機(jī)理、特性和作用等基礎(chǔ)性研究才剛剛起步，亟待深入探討。本課題擬采用微磁學(xué)方法，發(fā)展隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)矩模型，研究垂直自旋轉(zhuǎn)矩與偏壓、隧道結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性等因素的依賴關(guān)系，闡明垂直自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的物理機(jī)制，進(jìn)而理論優(yōu)化隧道結(jié)器件結(jié)構(gòu)，探討降低翻轉(zhuǎn)電流的有效方法和途徑，為發(fā)展新型電流直接驅(qū)動(dòng)的MRAM奠定理論基礎(chǔ)。

對(duì)納米尺度磁性器件中自旋極化電流直接調(diào)控磁矩的行為特性開(kāi)展系統(tǒng)深入研究，將極大推進(jìn)自旋轉(zhuǎn)矩型磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器和微波振蕩器等新型自旋電子器件的開(kāi)發(fā)。本項(xiàng)目針對(duì)自旋閥和磁性隧道結(jié)中自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的機(jī)理和其它一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展了系列研究。在該項(xiàng)目資助下，共發(fā)表了24篇SCI論文(含APL 10篇)。項(xiàng)目執(zhí)行期間主要取得以下結(jié)果：1）開(kāi)發(fā)了包含自旋轉(zhuǎn)移矩垂直項(xiàng)的微磁模擬程序，研究了磁性隧道結(jié)器件中面內(nèi)和垂直項(xiàng)共存時(shí)電流驅(qū)動(dòng)的磁動(dòng)力學(xué)特性，揭示了垂直轉(zhuǎn)矩項(xiàng)對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的加速作用依賴于電流方向；2）設(shè)計(jì)了一種翻轉(zhuǎn)速度能夠提高近10倍的“垂直-面內(nèi)”雙自旋極化型先進(jìn)自旋閥結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)其自旋轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度表現(xiàn)為“不翻轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、和周期振蕩”三種不同的動(dòng)力學(xué)行為參數(shù)空間；3）建立了經(jīng)過(guò)多次散射后自旋轉(zhuǎn)矩STT效率因子的解析模型。發(fā)現(xiàn)多次反射效應(yīng)的引入不僅使STT臨界翻轉(zhuǎn)電流密度降低，而且會(huì)改變自由層的進(jìn)動(dòng)頻率隨電流變化的對(duì)稱性，表現(xiàn)為負(fù)電流時(shí)頻率變化迅速的特點(diǎn)；4）在保持強(qiáng)垂直各向異性的前提下，獲得了一種可有效提高Co/Ni多層膜垂直矯頑力的的在位熱處理方法；5）此外，在反鐵磁垂直交換耦合強(qiáng)度的溫度依賴性、磁阻尼系數(shù)的界面影響、納米線中磁疇壁的退釘扎行為和飛秒激光調(diào)控的超快退磁過(guò)程等方面也得到不少有意義成果。

在基金的資助下：對(duì)高自旋極化具有垂直各向異性的FeCo和FePt磁性開(kāi)展了研究，分析了交換偏置與工藝參數(shù)的關(guān)系等和磁性隧道結(jié)制備密切相關(guān)的物理問(wèn)題。 a)研究了FeCo/Au多層膜的自旋重取向，認(rèn)為其垂直各項(xiàng)異性和界面的應(yīng)力有較大的關(guān)聯(lián)。文章發(fā)表在JOURNALOF APPLIED PHYSICS 109,123918(2011) SCI收錄，第一和責(zé)任作者。b)提出由于在轟擊過(guò)程中轟擊離子與材料表面存在能量交換會(huì)導(dǎo)致材料表面的溫度升高，從而影響材料的粘滯系數(shù)，導(dǎo)致轟擊的微納米結(jié)構(gòu)偏離BH理論的預(yù)期，具體表現(xiàn)為臨界角度發(fā)生了明顯變化，在實(shí)際采用離子轟擊制備表面微納米結(jié)構(gòu)工作中應(yīng)該考慮這種離子轟擊熱效應(yīng)導(dǎo)致的差異。該工作發(fā)表在Bulletin of Materials Science第一和責(zé)任作者。c)對(duì)FePt/CrPt雙層膜的交換偏置研究，采用不同的雙層膜結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)采用CrPt為底的時(shí)候交換偏置現(xiàn)象比較明顯，樣品結(jié)構(gòu)更理想。該工作發(fā)表在Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol.11,1–4,（2011）SCI收錄，第二和責(zé)任作者。d)用非正常霍爾效應(yīng)對(duì)CoFeB/Pt多層膜的垂直各項(xiàng)異性進(jìn)行了。分析了薄膜厚度，周期等參數(shù)對(duì)垂直各項(xiàng)異性的影響。發(fā)表在：Acta Phys. Sin. 61, 167504 (2012)，第二作者。該項(xiàng)工作與中科院物理所朱濤研究員合作完成。

庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和自旋積累效應(yīng)之間的相互影響是納米尺度下電子電荷和電子自旋動(dòng)態(tài)過(guò)程相互關(guān)聯(lián)的物理問(wèn)題。由此而產(chǎn)生的自旋相關(guān)單電子隧穿器件是納米自旋電子學(xué)的一個(gè)基本構(gòu)成單元。本項(xiàng)目擬采用物理沉積和化學(xué)自組裝方法，通過(guò)對(duì)絕緣勢(shì)壘層上納米顆粒的形貌，尺寸和空間排布的控制，制備出含有非磁性納米顆粒的單電子隧穿磁性隧道結(jié)，通過(guò)偏壓和門(mén)電壓調(diào)控納米顆粒的庫(kù)倫荷電能，來(lái)影響其自旋積累效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)利用庫(kù)侖阻塞效應(yīng)調(diào)控納米顆粒上自旋積累效應(yīng)。采用考慮自旋積累的單電子隧穿正統(tǒng)理論分析其磁電輸運(yùn)特性，進(jìn)一步理解納米尺度下電子電荷和自旋之間的相互影響機(jī)理，從物理機(jī)制上理清二者的關(guān)聯(lián)，最終揭示庫(kù)侖阻塞對(duì)自旋積累操控的規(guī)律和物理機(jī)制，為設(shè)計(jì)以庫(kù)侖阻塞調(diào)控自旋積累為機(jī)制的器件提供理論依據(jù)。

電子自旋的微波動(dòng)力學(xué)研究，使自旋電子器件由靜磁場(chǎng)調(diào)制翻轉(zhuǎn)特性研究向微波調(diào)制下的高頻特性研究發(fā)展，也由此產(chǎn)生了自旋轉(zhuǎn)矩、自旋泵浦、自旋霍爾、逆自旋霍爾等一系列新的自旋效應(yīng)。這些自旋效應(yīng)的產(chǎn)生、控制、探測(cè)等均與磁矩的進(jìn)動(dòng)密不可分，因而如何調(diào)制磁性薄膜的進(jìn)動(dòng)模式、阻尼系數(shù)、鐵磁共振頻率以及其對(duì)現(xiàn)有自旋電子器件的影響、對(duì)新一代自旋電子器件的開(kāi)發(fā)等成為了目前微波自旋動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵。因此本項(xiàng)目將立足于此，建立鐵磁/非磁性/鐵磁多層膜體系磁矩進(jìn)動(dòng)模型，開(kāi)展了磁矩間鐵磁及反鐵磁耦合對(duì)自旋泵浦頻率影響研究；將超低氣壓制備手段引入其中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜沉積氣壓低于目前常規(guī)濺射氣壓一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)磁性薄膜阻尼的有效調(diào)制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋泵浦效應(yīng)的調(diào)控；最后，開(kāi)展了NiFe（CoFe）/Cu(Ru/Ta)/ NiFe（CoFe）等多層膜制備及層間耦合效應(yīng)影響研究，通過(guò)中間非磁性層厚度的改變，在NiFe/Ru/CoFe多層膜中實(shí)現(xiàn)了大于1000Oe的共振場(chǎng)調(diào)制。 2100433B