Nat. Nanotech. 无需外场辅助 在反铁磁/铁磁/氧化物中实现磁矩翻转

【引言】

对于存储器，想必大家都有或多或少的了解。我们电脑的硬盘就是一种存储器。机械硬盘的盘片一般由磁性薄膜制成，其磁性层磁矩的不同指向即代表不同状态，存储0或者1。研究者们为了提升磁性存储的性能，主要在两个方面下功夫。首先是提高存储密度，即单位面积上的存储单元数目，在这点上磁矩垂直排列的磁性薄膜更具优势；另一方面，即通过电学方法（电流或电场）实现磁矩翻转，从而实现0与1之间的转换。传统方式多通过电流产生磁场来翻转磁矩，比如机械硬盘的写头。这种方式易对周围的存储单元造成干扰，且十分不利于存储单元的小型化。来自韩国科学技术学院（KAIST）Byong-Guk Park研究组，韩国大学Kyung-Jin Lee的研究组，以及他们在本国和美国的合作者，通过全电学方法实现了磁矩垂直排列的铁磁层的磁矩翻转，为将来磁性存储器的小型化和高存储密度带来了更多可操作性。

【成果简介】

物质的磁性来源于原子的磁性，而原子磁性主要来源于电子的自旋磁矩和轨道磁矩。电子的自旋和轨道也并非相互独立，其相互作用称为“自旋-轨道耦合”，由它产生的自旋轨道矩（spin-orbit torque, SOT），可以改变铁磁层中电子自旋的取向，从而在宏观上实现磁矩翻转。在反铁磁/铁磁/氧化物结构中，反铁磁层不仅能提供SOT，还能提供一个交换偏置场，使不借助外加磁场的磁矩操控成为可能。

反铁磁材料作为钉扎层在可产生隧穿磁电阻（TMR）的磁性隧道结中早有应用，但其作为自旋电子学中的主要研究对象，还是近几年的事。与铁磁体磁矩倾向于朝一个方向排列不同，反铁磁体具有两套子格点，每套格点上的磁矩倾向于同一个方向排列，而两套格点的方向相反，宏观上相互抵消，从而使总磁矩为零，不会对周围其间产生扰动。但同时，因其总磁矩为零，又有着较强的磁晶各向异性，一直很难有铁磁体那样广泛的应用。

近年有报道反铁磁材料中可产生自旋流。而本文的研究者用反铁磁层替代重金属/铁磁/氧化物结构中的重金属层，作为SOT的来源。而SOT可以翻转垂直磁矩。而且，做这样的替换好处有二：其一是反铁磁层提供的交换偏置场可替代外磁场，辅助磁矩翻转，有助于器件的集成及小型化；其二是通过该实验可以更好的理解反铁磁产生SOT的物理机制及反铁磁相关的物理现象。

【图文简介】

图1 铁磁/反铁磁结构中磁矩翻转原理、测量布置

左边展示了翻转机理，电流通过反铁磁层，在铁磁/反铁磁界面产生SOT，借助反铁磁提供的交换偏置场B_EB的辅助，实现铁磁层的磁矩翻转。

右边展示了样品结构及测量布置，x方向通电流，y方向测电压，所测到的电压即霍尔电压。

图2  反铁磁层的存在与否对翻转行为的影响

反铁磁层IrMn的插入，使原本Ta/CoFeB/MgO的翻转行为改变方向。原本逐渐增加的正电流使霍尔电阻R_H由负变正，插入反铁磁层后，正电流使霍尔电阻由正变负。这说明反铁磁层提供了一个与外加场B_x相反的有效场，这个有效场大概有-5 Oe。

然而这些翻转行为都有外磁场辅助。没有外磁场，即B_x=0时，翻转行为并不完全。这是因为由反铁磁层提供的交换偏置场不足以使翻转充分，需要将样品在更高磁场下退火。

注：这里用霍尔电阻R_H表征磁矩状态，在铁磁中，R_H正比于单位体积的磁矩。

图3  加入第二层铁磁层实现零磁场翻转

高场退火对薄膜界面影响较大，本文采用在反铁层下面另加一层铁磁层的方法，实现有效场的增强，从而达到零外场下完全电学翻转的目的。

这种处理方法需要在实验一开始加一个较大的外场，将底层CoFeB的自发磁化状态调整至沿反铁磁交换偏置场方向。

图3b中展现的翻转行为与图2中有外场辅助的翻转行为类似，正电流使磁矩由正变负。

在工作时，无须外磁场的辅助，可实现多次翻转。图3d即用脉冲电流实现磁矩的多次翻转。

材料牛小结：原有的重金属/铁磁/氧化物外加场辅助的情况下才能实现电学操控磁矩翻转，而本文通过引入反铁磁层，提供有效场及自旋轨道矩，又引入第二个铁磁层增强有效场，实现了无外磁场辅助的电学操控的磁矩翻转。这种翻转行为可重复多次，具有应用价值。同时，该成果不仅在器件设计和应用方面带来新的可能性，也对反铁磁中自旋转移矩的相关理论进行了佐证或犁清，为后续研究工作奠定了良好的理论和实验参考。

文献链接：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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