【《零磁场下电流诱导磁矩翻转研究现状综述》2700字】

零磁场下电流诱导磁矩翻转研究现状综述面内自旋极化的垂直磁各向异性SOT器件需要外部辅助磁场来破坏系统中的对称性从而实现确定性磁矩翻转。在实际应用中加入这一辅助磁场会严重限制SOT-MRAM的实用性和扩展性，也不利于实现低成本、低功耗、高密度的存储器件。近年来众多学者针对这一问题尝试了各种不同的解决方案：楔形结构设计实现零磁场翻转的最初方法是利用SOT器件的不同膜层材料的楔入来破坏系统中的对称性。图1.5(a)显示了Yu制备的Ta(5nm)/CoFeB(1nm)/TaOx多层膜的楔形氧化物结构以及光刻后的图案[56]。楔形氧化物的高度和PMA强度沿着样品中的横向(y轴)方向变化，其电学测量结果如图1.5(b)所示。结果表明除了传统的电流诱导SOT有效场（HDLy和HFLy）外，还存在一个额外的垂直场（HFLz），它破坏了两个磁化状态的对称性，如图1.5(c)所示。此外，该H上述结构中的顶部氧化物是TaOx，TMR变化率较小。因此在随后的研究中，作者通过楔入CoFeB层并表明仍能够得到相似结果[59]。上述楔入FM层以产生HFLz的技术在后续工作中已被扩展到其他材料体系，例如Hf/CoFeB/MgO，Hf/CoFeB/TaOx[60]，和Pt/Co/MgOYou提出了实现无外磁场SOT翻转的另一种楔入技术[62]，如图1.5(e)。由于未被MgO覆盖的CoFeB区域没有PMA，与有MgO覆盖区域的PMA有差异。如图1.5(f)，在最小化静磁能的限制下，楔形区域中的磁化强度遵循楔形边缘，导致磁性层的易磁化轴倾斜，这种各向异性的倾斜足以实现零磁场磁矩翻转。这项研究中并没有产生HFLz，其翻转过程被认为仅由HDL图1.5楔形结构实现零磁场SOT翻转制备楔形结构来设计磁各向异性的技术能够打破器件的对称性，实现零磁场磁矩翻转。然而，楔形技术可能是实际器件应用的一个障碍，因为磁性和电性芯片的大规模生成需要的是晶片级的均匀性，而楔形结构与这个需求是相矛盾的。基于交换耦合的技术实现零磁场翻转的第二类技术是利用AFM和/或附加FM层的交换偏置或层间交换耦合将辅助场结合到SOT器件内部。如图1.6所示，最初人们提出了各种方案来实现PMA材料中的无磁场SOT翻转。在图1.6(a)(b)中，由AFM（例如分别与FM相邻的PtMn和IrMn）产生的交换偏置场起到了SOT翻转辅助场的作用。此外，在这两种情况下AFM本身都充当SOT的来源。对于图1.6(a)中PtMn/[Co/Ni]结构[64]的情况，通过设计体系中的交换偏置，发现多层膜具有类似忆阻器的行为，能够应用于神经形态计算的场合。作者还在后来的研究[65]中表明了多层膜的结构改进工艺，例如将PtMn下面的种子层从Pt改变为Ru以及在Co/Ni和PtMn之间插入薄Pt层可以增强PMA，增强交换偏置以及降低翻转电流密度。在另一项研究中，Chen使用降低了饱和磁化强度的CoFeB/Gd/CoFeB结合FM以及PtMn实现了零磁场SOT翻转[66]。对于Oh提出的图1.6(b)所示的结构[67]，底部面内磁化的CoFeB层增强了交换耦合从而实现完全的无外磁场SOT翻转。图1.6基于交换耦合技术的零磁场SOT翻转图1.6(c)(d)所示结构是Pt层产生SOT的案例。对于图1.6(c)，顶部IrMn层提供交换偏置场实现确定性无外磁场翻转，但由于IrMn的多晶颗粒性导致翻转比例较小。这表明AFM的局部晶体结构对是否能够实现完全SOT翻转有较大影响。作者还研究了与图1.6(c)类似的结构，用Pd底层代替Pt，其中IrMn同时充当交换偏置源和SOT源。对于图1.6(d)的情况，等效磁场是通过层间交换耦合（IEC）从Ru层产生的。对于较小的Ru厚度，顶部CoFe的IEC非常强大并克服了底部自由CoFe层的PMA。因此可以使用相对大的2nm的Ru厚度（IEC是反铁磁性的）和2.5nm（IEC是铁磁性的）来实现零磁场SOT翻转同时保持PMA。此外，他们在最近的研究中[68]发现，通过使用具有弱IEC的Ta材料代替中间层Ru，可以减小中间层的厚度。除了交换耦合之外，来自内层FM的杂散磁场的偶极耦合也可以用于实现零磁场翻转[69]。偶极耦合方案不需要AFM与自由层相邻，并可以与自由层下方的常规p-MTJ底层（例如Ta）堆叠使用。此外，偶极耦合方案还有效地解决了PMA和交换偏置之间在退火条件方面的折衷。上述交换耦合方案或偶极耦合方案尽管能实现零磁场翻转，但在集成到三段MTJ方面会存在一定问题，此外还需要考虑器件的焦耳热[34]，热效应会削弱交换偏置作用并降低基于AFM的器件的耐久性。重复的翻转测试会导致AFM和FM层之间的交换偏置劣化，影响存储器件的长期稳定性。电场控制的SOT翻转目前所讨论的无外磁场SOT翻转的设计方案中都存在一个缺陷，即不可能改变等效磁场的方向（楔形结构技术）或者需要复杂的磁场退火技术来改变等效磁场方向（AFM或交换耦合技术）。图1.7电场控制的确定性磁矩翻转Cai[70]提出了使用铁电/铁磁混合结构的零磁场SOT翻转方案，其中等效辅助磁场方向的改变可以使用电子器件编程实现。如图1.7(a)所示，将Pt/Co/Ni/Co/Pt层沉积在PMN-PT基底上并光刻制成相应图案以用于电学测量，施加电压VPMN−PT面外自旋极化当注入面内电流时，常规研究的SOT效应在NM/FM界面处产生面内极化自旋。最近有研究使用面内电流在界面处产生面外(OutOfPlane,OOP)自旋极化。与面内自旋的情况相反，面外自旋可以在没有辅助磁场的情况下产生SOT而翻转磁矩。目前已有多种方法被提出用于产生面外自旋极化。例如，使用晶体对称性，FM/NM双层[71][72][73]作为自旋流源，或者使用双重金属[74]层作为自旋流源。图1.8面外自旋极化实现无外磁场的SOT翻转图1.8显示了使用面外极化自旋实现零磁场翻转的多层膜结构。在图1.8(a)中，铁磁层（NiFe或CoFeB）和Ti之间的界面用于产生面外自旋。作者通过进行磁滞回线测量和数值模拟，发现了多层膜中确实存在面外自旋极化。在图1.8(b)中，两个具有相反自旋霍尔角的重金属之间的界面可用于实现零磁场SOT翻转。作者发现，在适当厚度的W和Pt下，两者产生的竞争自旋流可以产生面外有效场，在没有外部辅助磁场的情况下翻转CoFeB层磁矩。作者还指出这个面外有效场的产生超出了目前对SOT的理解，其原理和机制需要进一步探索。在图1.8所示的多层膜中，具有垂直磁各向异性的铁磁层可以直接与MgO势垒层相邻，可以更好兼容三端MTJ。目前国内外还鲜有研究基于高PMA材料（如L10FePt）的零磁场翻转方法。根据上述调研，Co基器件的零磁场翻转方法思想已较为成熟，对于高PMA材料体系具有重要借鉴意义。实现高PMA磁性体系电流驱动零磁场翻转需考虑两个因素，①SOT器件工艺必须简单，且有利于与现有的CMOS工艺兼容。上述对称性破缺、自旋流梯度等楔形结构会