盛宇 张楠 王开友4) 马星桥

1 引 言

用电学的手段,如用电场或电流,来调控器件的磁性是自旋电子学领域的重要方向之一[1−9].自旋轨道耦合矩(spin-orbit torques,SOTs)诱导磁化取向的翻转作为一种高速、低功耗的操控磁性的手段,在近年来引起了研究者的广泛关注[2,3,5,10−13].利用自旋轨道耦合矩来翻转自旋,首先是在铁磁半导体中被观察到[14−17],随后被广泛应用于重金属/铁磁多层膜结构中,这里自旋轨道耦合矩来源于重金属层的自旋霍尔效应以及层间界面处的Rashba效应[2,8,9,11].自旋霍尔效应[1,18,19]使得在重金属层内流动的电流产生垂直于面流动的自旋流,自旋流与铁磁层的磁矩相互作用,改变铁磁层的磁化状态.Rashba效应来源于界面处的电场,流动中的电子在电场中受到等效磁场的作用,改变了自身的自旋取向[12,20−22].通常,对于具有垂直磁各向异性的样品,要想使其磁化取向在自旋轨道耦合矩的作用下翻转,需要在通入电流的同时,施加一沿电流方向的面内磁场.沿电流方向的面内磁场破坏了向上磁化与向下磁化的对称性,使得磁矩在正负电流的作用下倾向于不同的取向,从而实现定向翻转.对于磁存储器件,磁化取向的向上与向下对应着信息的0与1,磁化取向的翻转意味着新信息的写入.通常,可控的电流诱导磁化翻转只涉及向上与向下两个态.如果一个导电通道能控制多个磁化状态,做成多态的存储单元,将更有利于器件的高密度集成[11,23,24].

本文基于重金属层/铁磁层结构中自旋轨道耦合矩引起磁化翻转的机制,设计了一种四态存储器,利用一条导电通道中的电流脉冲,实现任意4种磁化状态.为进一步提高磁存储密度提供了一种方案与思路.

2 样品制备

实验中使用的样品薄膜是用磁控溅射在热氧化硅衬底上生长的TaOx(0.3)/Pt(3)/Co(0.47)/Pt(1.5)和Pt(3)/Co(0.47)/Pt(1.5)多层膜,括号内为厚度,单位是nm,如图1(a)所示.材料生长温度约20◦C,本底真空优于10−8Torr(1 Torr=1.33×102Pa). 溅射时通入氩气,真空度为0.8 mTorr.参与溅射的靶为Ta靶、Co靶与Pt靶,三者均采用直流溅射,溅射功率都是30 W,溅射速率分别为0.018,0.014,0.0271 nm/s.其中TaOx的沉积是在溅射Ta的过程中通入5 sccm/s的氧气,Ta溅射的过程中被氧化,生成TaOx沉积在基片上.溅射过程中,为保证薄膜均匀沉积在基片上,基片以每分钟10圈的速度旋转.整个生长过程由计算机控制时间,以此精确控制薄膜的厚度.图1(a)展示了样品的结构.利用光刻-显影的办法,使衬底一半被光刻胶覆盖,而另一半暴露在外;随后在衬底上沉积一层0.3 nm的TaOx薄层,沉积结束放到去胶溶液里进行剥离;然后再进行一次光刻-沉积-剥离,这次沉积的是Pt/Co/Pt薄膜,剥离之后获得两个电极以及一个导电通道,导电通道宽10µm,沿着法向穿过Pt/Co/Pt与TaOx/Pt/Co/Pt的交界,如图1(b)所示.

图1 多层膜结构与性质 (a)样品的层状结构(没有生长在TaO x缓冲层上的多层膜为Region A,生长在TaO x缓冲层上的Pt/Co/Pt多层膜为Region B);(b)器件结构,坐标轴和测试条件(右边的深蓝色区域代表有氧化钽缓冲层的多层膜,左边的蓝色区域代表没有氧化钽缓冲层的多层膜,导电通道的宽度为10µm,中间绿色的圆代表用于磁光克尔测试的光斑位置,光斑的直径大约2µm);(c)Region A的沿z轴磁化曲线(红色实线)和Region B的沿z轴磁化曲线(黑色实线)(图中纵轴为归一化以后的磁光克尔信号);(d)Region A和Region B交界处沿z轴的磁化曲线(因为Region A与Region B矫顽力不同,磁化状态在随磁场变化时有两次翻转)Fig.1.Structure and properties of multilayers:(a)Layer structure of the sample(the Pt/Co/Pt multilayers with 0.3 nm TaO x buff er layer is named Region B,and the one without TaO x buff er layer is named Region A);(b)device structure,coordinate axis,and measurement scheme(the dark blue square at right side indicates multilayers with TaO x buff er layers(Region B),and the blue square at left side indicatesmultilayers without TaO x buff er layer(Region A),the green circle is the laser spot for Kerr measurement with about 2µm diameter);(c)magnetized loops along z axis of Region A(red solid line)and Region B(black solid line);(The longtitudinal axis is normalized Kerr signal);(d)magnetized loop along z axis at the junction between Region A and Region B(a two-step switching is originated from the diff erent coercivities of these two regions).

3 实验结果与讨论

首先,定义没有缓冲层的区域为Region A,有缓冲层的区域为Region B.图1(c)展示了归一化的极向磁光克尔信号随垂直磁场从80 Oe到−80 Oe再返回80 Oe产生的变化,体现出磁化强度在法向分量随磁场的改变.实验发现虽然TaOx只有0.3 nm厚,但其对样品垂直各向异性的影响却很显著.有TaOx作为缓冲层的磁性多层膜显示了更加优良的垂直各向异性,其矫顽力为23 Oe,而直接生长在硅片衬底的多层膜矫顽力为11 Oe,几乎只是拥有缓冲层样品的一半.这应该归功于TaOx缓冲层促进了Pt/Co界面处(111)织构的形成,而Pt/Co界面的(111)织构有利于增强界面垂直磁各向异性[25].

将测试所用的光斑放在Region A和Region B的交界处,观察交界处的磁化曲线,如图1(d).样品磁化的取向在翻转的过程中跳跃了两次,第一次在约为11 Oe的磁场下,第二次在约为23 Oe的磁场下,刚好对应了Region A和Region B的矫顽力.说明在交界处光斑覆盖的区域(约2µm直径的区域),两个区域没有发生显著的铁磁耦合,并且在外加磁场的作用下,相互独立地改变了各自的磁化状态.通过调节光斑的位置,改变两个区域在光斑内所占面积的比例,可以获得类似Region A的磁化曲线(当光斑完全在Region A),也可以获得类似Region B的磁化曲线(当光斑完全在Region B)以及两者叠加的任意形式的磁化曲线(光斑在交界处).图1(d)所示的磁化曲线说明,通过改变磁场大小以及施加的方式,可以获得清晰的4个态.

图2 电流引起Region A与Region B磁化取向的定向翻转 (a)Region A在500 Oe水平磁场H x(红色实线)下的克尔信号(归一化后)电流曲线以及在−500 Oe水平磁场H x(黑色实线)下的克尔信号-电流曲线;(b)Region B在500 Oe水平磁场H x(红色实线)下的克尔信号-电流曲线,以及在−500 Oe水平磁场H x(黑色实线)下的克尔信号(归一化后)-电流曲线(曲线图里面的插图表示了铁磁层的磁化状态.其中,绿色箭头指向磁化取向,蓝色区域代表铁磁层,深红色区域代表TaO x缓冲层)Fig.2.Current induced magnetization switching of Region A and Region B:(a)Normalized Kerr signal−I loops of Region A under 500 Oe(red solid line)and−500 Oe(black solid line)in-plane magnetic fi eld H x;(b)normalized Kerr signal−I loops of Region B under 500 Oe(red solid line)and−500 Oe(black solid line)in-plane magnetic fi eld H x(Schematics inserted illustrate the magnetization confi gurations of ferromagnetic layers,in which green arrows represent the orientation of the magnetization,blue squares represent the ferromagnetic layer,and the dark red squares under blue squares represent the TaO x buff er layer).

利用Region A和B矫顽力的不同,可以在交界处用外加磁场来获得4个磁化状态.若要以电流诱导磁化翻转来获得4种态,则需要两个区域拥有不同的临界翻转电流.因此,在沿着电流方向固定面内磁场Hx=±500 Oe条件下,分别测试了Region A和Region B磁化状态随电流的变化关系.图2(a)展示了不同的水平磁场Hx下,电流从3 mA扫到−3 mA,Region A磁化取向发生改变;当电流从−3 mA回到3 mA,磁化取向又恢复到初始的状态.为了排除电流对磁光克尔信号的影响,施加的电流采取脉冲的模式,脉冲时间为0.5 s;脉冲过后,开始测试磁光克尔信号的大小,此时电流为0,测试时间为1 s.图2展示了脉冲后磁光克尔的大小和脉冲时电流的关系.当水平磁场为500 Oe时,正电流倾向于使磁化取向朝下,而负电流倾向于使磁化取向朝上,翻转的规律为顺时针.当水平磁场为−500 Oe时,电流与磁化取向的关系刚好相反,翻转的规律为逆时针.电流与水平磁场共同决定了磁化取向的翻转方向,符合自旋轨道矩驱动磁化取向翻转的特征[3,5,10,21].此处,自旋轨道矩使磁化取向翻转通常用两种力矩来解释:一种叫作类阻尼矩(τDL,damping-like torque),形式为τDL∝ m×(σ×m);一种叫作类场矩(τFL,filed-like torque),形式为τFL∝σ×m,其中m为铁磁层的磁化强度,σ为流入铁磁层的净自旋流的自旋取向.在本文中,定义电流与外加磁场沿x方向,m沿z方向,σ沿y方向.两种力矩共同作用使得磁化取向发生偏转.在没有外加水平磁场的情形下,电流使磁化取向向上与向下翻转的概率是相同的,宏观上看不到有规律的翻转.在外加水平磁场固定的情形下,磁化取向向上与向下的对称性被打破,其中类阻尼矩决定翻转的方向,而类场矩影响临界翻转电流的大小[26].本文定义使磁化取向完全翻转的电流值为临界电流,如图2(a)所示,当电流大小超过1.5 mA,即|I|>1.5 mA,继续增大电流,样品的磁化状态保持稳定,说明1.5 mA足以使样品磁化取向发生改变.图2(b)为Region B的磁化状态随电流的变化,其翻转规律随磁场的变化与Region A的一致.与Region A不同的是,Region B需要更大的临界翻转电流,大约为5 mA,超过了Region A临界翻转电流的3倍.利用两个区域临界翻转电流的显著差异,可以通过改变电流脉冲的模式来获得4种磁化状态.

图3(a)和图3(b)分别显示了面内磁场为500 Oe以及−500 Oe时,在不同的脉冲机制下,样品磁化状态的改变.脉冲的幅值分为8 mA和2 mA两种,持续时间均为0.5 s,而且在正负外加磁场下,电流实现磁化翻转的状态刚好相反.如果需要使得两个区域的磁化方向发生翻转,可以通入+/−8 mA脉冲电流来实现;而如果只需要改变Region A的磁化取向,只需要通入+/−2 mA脉冲电流来实现;如果只需要改变Region B的磁化取向,而保持Region A的磁化取向不变,可以首先通入一个大的电流(+/−8 mA)脉冲后面紧随一个反向小电流(−/+2 mA)脉冲,先使得两个区域的磁矩共同翻转,然后再通入一个小电流脉冲,仅使Region A的磁矩发生翻转,回到初始磁化状态.可以看出,在保持水平磁场不变的条件下,4种形式的电流脉冲使得磁光克尔信号保持在了4个不同的值上,即为4种不同的磁化状态,从而实现了电信号写入的四态存储.

图3 在幅值为500 Oe面内磁场下,Region A和Region B的交界处磁光克尔信号随电流脉冲的变化 (a)和(b)分别显示了在500 Oe和−500 Oe的面内磁场下,电流改变交界处的磁化取向;(c)器件被施加的4种脉冲:−8 mA,8 m A→−2 mA,−8 mA→2 mA,+8 mA,其中+/−8 m A的脉冲持续0.5 s,−/+8 m A→−/+2 mA的脉冲由−/+8 m A的脉冲和紧随其后的−/+2 mA脉冲组成,持续时间为两个脉冲时间之和(1 s);为了清晰地展示脉冲的形式,图(c)中脉冲的宽度为真实值的20倍Fig.3.The change of Kerr rotation at the junction of Region A and Region B under current pulses with 500 Oe amplitude of in-plane magnetic fi eld:(a)and(b)show the current pulses induced switching of magnetization at the junction under H x of 500 and −500 Oe respectively;(c)four basic pulses(−8 mA,8 mA→ −2 mA,−8 mA→ 2 mA,+8 mA)are applied to the device in this test,in which pulses of+/−8 mA last for 0.5 s,and pulse of−/+8 mA→−(+)2 mA consists of a pulse of−/+8 mA and a followed pulse of−/+2 mA with a total duration of 1 s.To clearly show the form of the pulse,the width of the pulse in Fig.(c)is 20 times the real value.

4 结 论

利用TaOx缓冲层对Pt/Co/Pt多层膜垂直各向异性的调节,通过预先在某些区域生长一层0.3 nm的TaOx,而在另外的区域直接生长Pt/Co/Pt多层膜,获得相邻区域具有不同磁各向异性的Pt/Co/Pt多层膜.在固定磁场下,电流驱动不同区域磁化方向的翻转研究显示,由于两个区域的临界翻转电流存在较大差异.利用临界电流的差异,通过改变脉冲形式,在具有不同磁性相邻区域的边界获得了四种磁化状态.通过一个导电通路使器件磁化状态在4个状态之间切换,相比于一个导电通道控制两个状态,减少了导电通道的数量,有望提高空间利用率,为未来实现高密度自旋电子学存储提供了一种思路和方案.

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