低阻尼Co 2MnSi薄膜的生长结构磁性和酞菁铜中多级阻变记忆效应研究

1、低阻尼Co 2MnSi薄膜的生长、结构、磁性和酞菁铜中多级阻变、记忆效应研究半导体技术的不断进步、 信息工业的持续发展和人类对计算机性能的无止境 需求推动着随机存储器 (random access memory, RAM) 技术不断向前发展。 RAM和CPI直接交换数据,所以RAM勺性能直接影响到CPUl勺速度,进而影响整个计算 机的表现。目前计算机常用的RAM是基于电容技术,由于电容有漏电流,所以RAM需要定 时刷新以防止数据丢失。 这种容易丢失数据的易失性随机存储器逐渐不能满足人 类的需求。2010年，国际半导体技术蓝图新兴器件(Emerging Research Devices) 和新

2、兴材料(Emerging Research Materials)工作组指出基于自旋转移转矩效应 (spin transfer torque, STT)的自旋转移转矩磁随机存储器(STTMRAM和基于电致阻变效应的阻变随机存储器 (resistance random access memory, RRAM) 是最有可能成为超越16 nm技术的下一代非易失性随机存储器 (non-volatileran dom access memory, NVRAM。) 在由固定磁性层、中间层和自由磁性层组成的三明治结构中 当由固定磁性层流向自由磁性层的电流密度超过临界值后 ,自由磁性层的磁矩朝着固定磁性层磁矩的

3、方向反转；当电流反向时 ,被固定磁性层反射回来的和固定磁性层磁化方向相反的电子使自由磁性层的磁矩向固定磁性层磁矩相反方向反 转。这种现象称为STT效应。这种三明治结构中两个磁性层磁矩的不同组态对应 着器件的不同电阻态： 当两个磁性层磁矩方向平行时对应的是低电阻状态； 相反 时对应的是高电阻状态。这样通过STT效应就可以实现逻辑态的反转，而磁性层的磁化方向断电后并 不改变,这样就实现了 NVRAM.ST的临界电流密度正比于自由磁性层的 Gilbert阻尼因子 , 所以降低自由磁性层的 Gilbert 阻尼因子对降低临界电流密度、提高STTMRA存储密度、减小器件损耗意义重大。Co基Heusler

4、合金居里温度很高、中应用广泛。具有半金属性质而且在高隧穿磁电阻 (tu nelli ngmag netoresista nee, TMR磁性隧道结 (magnetic tunelling junction, MTJ)除此之外它还是一种 Gilbert 阻尼因子比较低的磁性材料。 我们用磁控溅射 在加热MgC衬底上生长了 Co2MnSi Heusler合金薄膜，通过控制衬底温度和后续退火温度提高了 Co2MnS薄膜的晶体质量。铁磁共振测试结果拟合表明，300 C生长后550r退火的样品Gilbert阻尼因子低至 0.00015, 是目前报道的金属材料中的最小值。 不言而喻, 精确测量材料的Gil

5、bert 阻尼因子不论对应用物理和基础物理都具有很重要的意义。铁磁共振是测量材料 Gilbert 阻尼因子的常用方法 , 通过分析共振线宽随测 试频率的变化关系 ,可以得出其数值。铁磁共振中微波场激发的一致进动自旋波对应的波矢 k=0。一方面, 这些 k=0 的自旋波可能通过磁振子 -电子相互作用将能量传递给晶格,这个过程称为Gilbert阻尼；另一方面k=0的自旋波也可能被磁各向异性、 杂质、表面态、第二相等等因素散射成k工0的自旋波,这个过程称为双磁振子散 射。由此可见 , 铁磁共振的共振线宽至少包含 Gilbert 阻尼项和双磁振子散射项。然而有很多文献在计算 Gilbert 阻尼的过程

6、中都忽略了双磁振子散射的贡 献, 这只有在宽频域测量铁磁共振线宽是测试频率的线性函数的情况下才是可行 的。对于铁磁共振线宽随测试频率变化的非单调行为目前研究报道很少 , 特别在 宽频域范围内尚未有报道。我们在5-40GHZ的宽频域范围内,在300r和400C生长550C退火的Co2MnS薄膜中观测到这种非单调行为。基于 Sangita等人的工作，我们发展了双磁振子散射对共振线宽贡献的模型 , 采用数值计算双磁振子散射简并积分和线 性回归的方法 , 拟合了共振线宽随测试频率变化的非单调、单调非线性和线性行 为,并且在计算和拟合过程中没有采用固定参数来减小计算难度。拟合结果表明 , 双磁振子散射对

7、共振线宽的非线性行为有决定性的贡献 , 但 是对于线性行为贡献很小 , 在宽频域测试范围内是可以忽略的。由于有机材料具 有储量丰富、成本低廉、可以印刷或者旋涂制备、可弯曲等等很多优点 , 近些年 来在OLED有机薄膜晶体管、有机太阳能电池领域中得到广泛研究。由于器件结构多样、存储密度大、开关比高等等性质 , 小分子、聚合物、复 合材料等有机物在RRAM中的潜在应用被普遍重视研究。但是相对于无机材料而 言, 有机材料不具有长程有序性 , 也不具有较强的相互作用 , 分子与分子之间靠比 较弱的范德瓦尔斯力结合 ,导致载流子的局域性较强。这些载流子在被热激发“跳离”局域态之前不会对电导有贡献 , 导

8、致有机材 料中载流子的迁移率较低。而且有机材料中的载流子传输机制不甚明了 , 仍然需 要广泛、深入的研究。目前提出的导电机制有欧姆导电、 肖特基发射、 热致发射、 空间电荷限制电 流、隧穿、离子导电、跳跃导电、杂质导电等等。基于这些导电机制 ,对有机材料电致阻变机理的解释多种多样。由于有机材料电致阻变器件结构多样 , 并且阻变机制也可能依赖于使用的具 体材料,所以一个统一的阻变模型可能并不存在 ,甚至在同一个器件中也会有不同的机制同时起作用。基于有机材料的电致阻变机理仍需要进一步研究。酞菁铜 (copper phthalocyanine, CuPc) 是一种典型的共轭p 型小分子有机半导体,在

9、OLED有机薄膜晶体管、有机太阳能电池中应用广泛。但是基于 CuPc的电致阻变器件研究很少。我们应用磁控溅射和真空热蒸发的方法制备了不同电极材料的CuPc电致阻变器件, 从中首次发现了多级电致阻变现象。当上、下电极都是Co时,是单极阻变,低阻态的稳定性比较差；但是使用Au做下电极、Co做上电极时是双极阻变，低阻态的稳定性大幅提高，在10000s的测试时间内没有观测到低阻态的退变现象。低阻态和高阻态的电阻随温度变化的测试结果表明 ,阻变前后器件的导电机制没有发生性质上的变化 ,它们的电阻都随着温度的降低而增大 ,是典型的半导体导电行为。在较低温度下和丫 =1/3的Mott变程跃迁模型符合较好，较高温度有明显偏离。拟合结果给出低阻态和高阻态的费米能级处态密度相差三个量级 ,从而导致了低阻态和高阻态之间电阻的巨大差异。 低