Nat. Nanotech. 無需外場輔助 在反鐵磁/鐵磁/氧化物中實現磁矩翻轉

【引言】

對于存儲器，想必大家都有或多或少的了解。我們電腦的硬盤就是一種存儲器。機械硬盤的盤片一般由磁性薄膜制成，其磁性層磁矩的不同指向即代表不同狀態，存儲0或者1。研究者們為了提升磁性存儲的性能，主要在兩個方面下功夫。首先是提高存儲密度，即單位面積上的存儲單元數目，在這點上磁矩垂直排列的磁性薄膜更具優勢；另一方面，即通過電學方法（電流或電場）實現磁矩翻轉，從而實現0與1之間的轉換。傳統方式多通過電流產生磁場來翻轉磁矩，比如機械硬盤的寫頭。這種方式易對周圍的存儲單元造成干擾，且十分不利于存儲單元的小型化。來自韓國科學技術學院（KAIST）Byong-Guk Park研究組，韓國大學Kyung-Jin Lee的研究組，以及他們在本國和美國的合作者，通過全電學方法實現了磁矩垂直排列的鐵磁層的磁矩翻轉，為將來磁性存儲器的小型化和高存儲密度帶來了更多可操作性。

【成果簡介】

物質的磁性來源于原子的磁性，而原子磁性主要來源于電子的自旋磁矩和軌道磁矩。電子的自旋和軌道也并非相互獨立，其相互作用稱為“自旋-軌道耦合”，由它產生的自旋軌道矩（spin-orbit torque, SOT），可以改變鐵磁層中電子自旋的取向，從而在宏觀上實現磁矩翻轉。在反鐵磁/鐵磁/氧化物結構中，反鐵磁層不僅能提供SOT，還能提供一個交換偏置場，使不借助外加磁場的磁矩操控成為可能。

反鐵磁材料作為釘扎層在可產生隧穿磁電阻（TMR）的磁性隧道結中早有應用，但其作為自旋電子學中的主要研究對象，還是近幾年的事。與鐵磁體磁矩傾向于朝一個方向排列不同，反鐵磁體具有兩套子格點，每套格點上的磁矩傾向于同一個方向排列，而兩套格點的方向相反，宏觀上相互抵消，從而使總磁矩為零，不會對周圍其間產生擾動。但同時，因其總磁矩為零，又有著較強的磁晶各向異性，一直很難有鐵磁體那樣廣泛的應用。

近年有報道反鐵磁材料中可產生自旋流。而本文的研究者用反鐵磁層替代重金屬/鐵磁/氧化物結構中的重金屬層，作為SOT的來源。而SOT可以翻轉垂直磁矩。而且，做這樣的替換好處有二：其一是反鐵磁層提供的交換偏置場可替代外磁場，輔助磁矩翻轉，有助于器件的集成及小型化；其二是通過該實驗可以更好的理解反鐵磁產生SOT的物理機制及反鐵磁相關的物理現象。

【圖文簡介】

圖1 鐵磁/反鐵磁結構中磁矩翻轉原理、測量布置

左邊展示了翻轉機理，電流通過反鐵磁層，在鐵磁/反鐵磁界面產生SOT，借助反鐵磁提供的交換偏置場B_EB的輔助，實現鐵磁層的磁矩翻轉。

右邊展示了樣品結構及測量布置，x方向通電流，y方向測電壓，所測到的電壓即霍爾電壓。

圖2 ?反鐵磁層的存在與否對翻轉行為的影響

反鐵磁層IrMn的插入，使原本Ta/CoFeB/MgO的翻轉行為改變方向。原本逐漸增加的正電流使霍爾電阻R_H由負變正，插入反鐵磁層后，正電流使霍爾電阻由正變負。這說明反鐵磁層提供了一個與外加場B_x相反的有效場，這個有效場大概有-5 Oe。

然而這些翻轉行為都有外磁場輔助。沒有外磁場，即B_x=0時，翻轉行為并不完全。這是因為由反鐵磁層提供的交換偏置場不足以使翻轉充分，需要將樣品在更高磁場下退火。

注：這里用霍爾電阻R_H表征磁矩狀態，在鐵磁中，R_H正比于單位體積的磁矩。

圖3 ?加入第二層鐵磁層實現零磁場翻轉

高場退火對薄膜界面影響較大，本文采用在反鐵層下面另加一層鐵磁層的方法，實現有效場的增強，從而達到零外場下完全電學翻轉的目的。

這種處理方法需要在實驗一開始加一個較大的外場，將底層CoFeB的自發磁化狀態調整至沿反鐵磁交換偏置場方向。

圖3b中展現的翻轉行為與圖2中有外場輔助的翻轉行為類似，正電流使磁矩由正變負。

在工作時，無須外磁場的輔助，可實現多次翻轉。圖3d即用脈沖電流實現磁矩的多次翻轉。

材料牛小結：原有的重金屬/鐵磁/氧化物外加場輔助的情況下才能實現電學操控磁矩翻轉，而本文通過引入反鐵磁層，提供有效場及自旋軌道矩，又引入第二個鐵磁層增強有效場，實現了無外磁場輔助的電學操控的磁矩翻轉。這種翻轉行為可重復多次，具有應用價值。同時，該成果不僅在器件設計和應用方面帶來新的可能性，也對反鐵磁中自旋轉移矩的相關理論進行了佐證或犁清，為后續研究工作奠定了良好的理論和實驗參考。

文獻鏈接：Field-free switching of perpendicular magnetization through spin–orbit torque in antiferromagnet/ferromagnet/oxide structures ?( Nat. Nanotech., ?2016, DOI: 10.1038/nnano.2016.109）

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