盛宇 張楠 王開友4) 馬星橋

1 引 言

用電學的手段,如用電場或電流,來調(diào)控器件的磁性是自旋電子學領(lǐng)域的重要方向之一[1?9].自旋軌道耦合矩(spin-orbit torques,SOTs)誘導磁化取向的翻轉(zhuǎn)作為一種高速、低功耗的操控磁性的手段,在近年來引起了研究者的廣泛關(guān)注[2,3,5,10?13].利用自旋軌道耦合矩來翻轉(zhuǎn)自旋,首先是在鐵磁半導體中被觀察到[14?17],隨后被廣泛應(yīng)用于重金屬/鐵磁多層膜結(jié)構(gòu)中,這里自旋軌道耦合矩來源于重金屬層的自旋霍爾效應(yīng)以及層間界面處的Rashba效應(yīng)[2,8,9,11].自旋霍爾效應(yīng)[1,18,19]使得在重金屬層內(nèi)流動的電流產(chǎn)生垂直于面流動的自旋流,自旋流與鐵磁層的磁矩相互作用,改變鐵磁層的磁化狀態(tài).Rashba效應(yīng)來源于界面處的電場,流動中的電子在電場中受到等效磁場的作用,改變了自身的自旋取向[12,20?22].通常,對于具有垂直磁各向異性的樣品,要想使其磁化取向在自旋軌道耦合矩的作用下翻轉(zhuǎn),需要在通入電流的同時,施加一沿電流方向的面內(nèi)磁場.沿電流方向的面內(nèi)磁場破壞了向上磁化與向下磁化的對稱性,使得磁矩在正負電流的作用下傾向于不同的取向,從而實現(xiàn)定向翻轉(zhuǎn).對于磁存儲器件,磁化取向的向上與向下對應(yīng)著信息的0與1,磁化取向的翻轉(zhuǎn)意味著新信息的寫入.通常,可控的電流誘導磁化翻轉(zhuǎn)只涉及向上與向下兩個態(tài).如果一個導電通道能控制多個磁化狀態(tài),做成多態(tài)的存儲單元,將更有利于器件的高密度集成[11,23,24].

本文基于重金屬層/鐵磁層結(jié)構(gòu)中自旋軌道耦合矩引起磁化翻轉(zhuǎn)的機制,設(shè)計了一種四態(tài)存儲器,利用一條導電通道中的電流脈沖,實現(xiàn)任意4種磁化狀態(tài).為進一步提高磁存儲密度提供了一種方案與思路.

2 樣品制備

實驗中使用的樣品薄膜是用磁控濺射在熱氧化硅襯底上生長的TaOx(0.3)/Pt(3)/Co(0.47)/Pt(1.5)和Pt(3)/Co(0.47)/Pt(1.5)多層膜,括號內(nèi)為厚度,單位是nm,如圖1(a)所示.材料生長溫度約20?C,本底真空優(yōu)于10?8Torr(1 Torr=1.33×102Pa). 濺射時通入氬氣,真空度為0.8 mTorr.參與濺射的靶為Ta靶、Co靶與Pt靶,三者均采用直流濺射,濺射功率都是30 W,濺射速率分別為0.018,0.014,0.0271 nm/s.其中TaOx的沉積是在濺射Ta的過程中通入5 sccm/s的氧氣,Ta濺射的過程中被氧化,生成TaOx沉積在基片上.濺射過程中,為保證薄膜均勻沉積在基片上,基片以每分鐘10圈的速度旋轉(zhuǎn).整個生長過程由計算機控制時間,以此精確控制薄膜的厚度.圖1(a)展示了樣品的結(jié)構(gòu).利用光刻-顯影的辦法,使襯底一半被光刻膠覆蓋,而另一半暴露在外;隨后在襯底上沉積一層0.3 nm的TaOx薄層,沉積結(jié)束放到去膠溶液里進行剝離;然后再進行一次光刻-沉積-剝離,這次沉積的是Pt/Co/Pt薄膜,剝離之后獲得兩個電極以及一個導電通道,導電通道寬10μm,沿著法向穿過Pt/Co/Pt與TaOx/Pt/Co/Pt的交界,如圖1(b)所示.

圖1 多層膜結(jié)構(gòu)與性質(zhì) (a)樣品的層狀結(jié)構(gòu)(沒有生長在TaO x緩沖層上的多層膜為Region A,生長在TaO x緩沖層上的Pt/Co/Pt多層膜為Region B);(b)器件結(jié)構(gòu),坐標軸和測試條件(右邊的深藍色區(qū)域代表有氧化鉭緩沖層的多層膜,左邊的藍色區(qū)域代表沒有氧化鉭緩沖層的多層膜,導電通道的寬度為10μm,中間綠色的圓代表用于磁光克爾測試的光斑位置,光斑的直徑大約2μm);(c)Region A的沿z軸磁化曲線(紅色實線)和Region B的沿z軸磁化曲線(黑色實線)(圖中縱軸為歸一化以后的磁光克爾信號);(d)Region A和Region B交界處沿z軸的磁化曲線(因為Region A與Region B矯頑力不同,磁化狀態(tài)在隨磁場變化時有兩次翻轉(zhuǎn))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 實驗結(jié)果與討論

首先,定義沒有緩沖層的區(qū)域為Region A,有緩沖層的區(qū)域為Region B.圖1(c)展示了歸一化的極向磁光克爾信號隨垂直磁場從80 Oe到?80 Oe再返回80 Oe產(chǎn)生的變化,體現(xiàn)出磁化強度在法向分量隨磁場的改變.實驗發(fā)現(xiàn)雖然TaOx只有0.3 nm厚,但其對樣品垂直各向異性的影響卻很顯著.有TaOx作為緩沖層的磁性多層膜顯示了更加優(yōu)良的垂直各向異性,其矯頑力為23 Oe,而直接生長在硅片襯底的多層膜矯頑力為11 Oe,幾乎只是擁有緩沖層樣品的一半.這應(yīng)該歸功于TaOx緩沖層促進了Pt/Co界面處(111)織構(gòu)的形成,而Pt/Co界面的(111)織構(gòu)有利于增強界面垂直磁各向異性[25].

將測試所用的光斑放在Region A和Region B的交界處,觀察交界處的磁化曲線,如圖1(d).樣品磁化的取向在翻轉(zhuǎn)的過程中跳躍了兩次,第一次在約為11 Oe的磁場下,第二次在約為23 Oe的磁場下,剛好對應(yīng)了Region A和Region B的矯頑力.說明在交界處光斑覆蓋的區(qū)域(約2μm直徑的區(qū)域),兩個區(qū)域沒有發(fā)生顯著的鐵磁耦合,并且在外加磁場的作用下,相互獨立地改變了各自的磁化狀態(tài).通過調(diào)節(jié)光斑的位置,改變兩個區(qū)域在光斑內(nèi)所占面積的比例,可以獲得類似Region A的磁化曲線(當光斑完全在Region A),也可以獲得類似Region B的磁化曲線(當光斑完全在Region B)以及兩者疊加的任意形式的磁化曲線(光斑在交界處).圖1(d)所示的磁化曲線說明,通過改變磁場大小以及施加的方式,可以獲得清晰的4個態(tài).

圖2 電流引起Region A與Region B磁化取向的定向翻轉(zhuǎn) (a)Region A在500 Oe水平磁場H x(紅色實線)下的克爾信號(歸一化后)電流曲線以及在?500 Oe水平磁場H x(黑色實線)下的克爾信號-電流曲線;(b)Region B在500 Oe水平磁場H x(紅色實線)下的克爾信號-電流曲線,以及在?500 Oe水平磁場H x(黑色實線)下的克爾信號(歸一化后)-電流曲線(曲線圖里面的插圖表示了鐵磁層的磁化狀態(tài).其中,綠色箭頭指向磁化取向,藍色區(qū)域代表鐵磁層,深紅色區(qū)域代表TaO x緩沖層)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矯頑力的不同,可以在交界處用外加磁場來獲得4個磁化狀態(tài).若要以電流誘導磁化翻轉(zhuǎn)來獲得4種態(tài),則需要兩個區(qū)域擁有不同的臨界翻轉(zhuǎn)電流.因此,在沿著電流方向固定面內(nèi)磁場Hx=±500 Oe條件下,分別測試了Region A和Region B磁化狀態(tài)隨電流的變化關(guān)系.圖2(a)展示了不同的水平磁場Hx下,電流從3 mA掃到?3 mA,Region A磁化取向發(fā)生改變;當電流從?3 mA回到3 mA,磁化取向又恢復(fù)到初始的狀態(tài).為了排除電流對磁光克爾信號的影響,施加的電流采取脈沖的模式,脈沖時間為0.5 s;脈沖過后,開始測試磁光克爾信號的大小,此時電流為0,測試時間為1 s.圖2展示了脈沖后磁光克爾的大小和脈沖時電流的關(guān)系.當水平磁場為500 Oe時,正電流傾向于使磁化取向朝下,而負電流傾向于使磁化取向朝上,翻轉(zhuǎn)的規(guī)律為順時針.當水平磁場為?500 Oe時,電流與磁化取向的關(guān)系剛好相反,翻轉(zhuǎn)的規(guī)律為逆時針.電流與水平磁場共同決定了磁化取向的翻轉(zhuǎn)方向,符合自旋軌道矩驅(qū)動磁化取向翻轉(zhuǎn)的特征[3,5,10,21].此處,自旋軌道矩使磁化取向翻轉(zhuǎn)通常用兩種力矩來解釋:一種叫作類阻尼矩(τDL,damping-like torque),形式為τDL∝ m×(σ×m);一種叫作類場矩(τFL,filed-like torque),形式為τFL∝σ×m,其中m為鐵磁層的磁化強度,σ為流入鐵磁層的凈自旋流的自旋取向.在本文中,定義電流與外加磁場沿x方向,m沿z方向,σ沿y方向.兩種力矩共同作用使得磁化取向發(fā)生偏轉(zhuǎn).在沒有外加水平磁場的情形下,電流使磁化取向向上與向下翻轉(zhuǎn)的概率是相同的,宏觀上看不到有規(guī)律的翻轉(zhuǎn).在外加水平磁場固定的情形下,磁化取向向上與向下的對稱性被打破,其中類阻尼矩決定翻轉(zhuǎn)的方向,而類場矩影響臨界翻轉(zhuǎn)電流的大小[26].本文定義使磁化取向完全翻轉(zhuǎn)的電流值為臨界電流,如圖2(a)所示,當電流大小超過1.5 mA,即|I|>1.5 mA,繼續(xù)增大電流,樣品的磁化狀態(tài)保持穩(wěn)定,說明1.5 mA足以使樣品磁化取向發(fā)生改變.圖2(b)為Region B的磁化狀態(tài)隨電流的變化,其翻轉(zhuǎn)規(guī)律隨磁場的變化與Region A的一致.與Region A不同的是,Region B需要更大的臨界翻轉(zhuǎn)電流,大約為5 mA,超過了Region A臨界翻轉(zhuǎn)電流的3倍.利用兩個區(qū)域臨界翻轉(zhuǎn)電流的顯著差異,可以通過改變電流脈沖的模式來獲得4種磁化狀態(tài).

圖3(a)和圖3(b)分別顯示了面內(nèi)磁場為500 Oe以及?500 Oe時,在不同的脈沖機制下,樣品磁化狀態(tài)的改變.脈沖的幅值分為8 mA和2 mA兩種,持續(xù)時間均為0.5 s,而且在正負外加磁場下,電流實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)剛好相反.如果需要使得兩個區(qū)域的磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn),可以通入+/?8 mA脈沖電流來實現(xiàn);而如果只需要改變Region A的磁化取向,只需要通入+/?2 mA脈沖電流來實現(xiàn);如果只需要改變Region B的磁化取向,而保持Region A的磁化取向不變,可以首先通入一個大的電流(+/?8 mA)脈沖后面緊隨一個反向小電流(?/+2 mA)脈沖,先使得兩個區(qū)域的磁矩共同翻轉(zhuǎn),然后再通入一個小電流脈沖,僅使Region A的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn),回到初始磁化狀態(tài).可以看出,在保持水平磁場不變的條件下,4種形式的電流脈沖使得磁光克爾信號保持在了4個不同的值上,即為4種不同的磁化狀態(tài),從而實現(xiàn)了電信號寫入的四態(tài)存儲.

圖3 在幅值為500 Oe面內(nèi)磁場下,Region A和Region B的交界處磁光克爾信號隨電流脈沖的變化 (a)和(b)分別顯示了在500 Oe和?500 Oe的面內(nèi)磁場下,電流改變交界處的磁化取向;(c)器件被施加的4種脈沖:?8 mA,8 m A→?2 mA,?8 mA→2 mA,+8 mA,其中+/?8 m A的脈沖持續(xù)0.5 s,?/+8 m A→?/+2 mA的脈沖由?/+8 m A的脈沖和緊隨其后的?/+2 mA脈沖組成,持續(xù)時間為兩個脈沖時間之和(1 s);為了清晰地展示脈沖的形式,圖(c)中脈沖的寬度為真實值的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 結(jié) 論

利用TaOx緩沖層對Pt/Co/Pt多層膜垂直各向異性的調(diào)節(jié),通過預(yù)先在某些區(qū)域生長一層0.3 nm的TaOx,而在另外的區(qū)域直接生長Pt/Co/Pt多層膜,獲得相鄰區(qū)域具有不同磁各向異性的Pt/Co/Pt多層膜.在固定磁場下,電流驅(qū)動不同區(qū)域磁化方向的翻轉(zhuǎn)研究顯示,由于兩個區(qū)域的臨界翻轉(zhuǎn)電流存在較大差異.利用臨界電流的差異,通過改變脈沖形式,在具有不同磁性相鄰區(qū)域的邊界獲得了四種磁化狀態(tài).通過一個導電通路使器件磁化狀態(tài)在4個狀態(tài)之間切換,相比于一個導電通道控制兩個狀態(tài),減少了導電通道的數(shù)量,有望提高空間利用率,為未來實現(xiàn)高密度自旋電子學存儲提供了一種思路和方案.

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