科研动态


垂直磁各向异性Ta/CoFeB/MgO结构被普遍认为是下一代自旋电子学器件发展的基本单元。利用本课题组国产磁控溅射系统,2012年发现Hf/CoFeB/MgO结构可大幅增强垂直磁各向异性;2014年发现以Mo取代Ta或Hf,不但显著提高CoFeB/MgO薄膜的垂直磁各向异性,而且最为关键的是,彻底克服了传统Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta垂直磁性隧道结温度稳定性离器件制备要求相距甚远的难题,获得具有极高温度稳定性的垂直磁性隧道结多层膜 Mo/CoFeB/MgO/CoFeB/Mo,同时,明确了Mo层具有对扩散原子的强烈阻挡作用(AIP Advances 2 (2012) 032151;Scientific Reports 4 (2014) 5895;中国专利ZL201110354377.3),两项工作被全世界同行广泛引用;在器件要求的高温退火后,Mo/CoFeB/MgO垂直磁化隧道结的室温磁电阻比值高达120%,同时表现出显著的电场对垂直各向异性的调控作用,而传统Ta垂直磁化隧道结在相同退火条件下被完全破坏(AIP Advances 5 (2015) 067116);利用垂直磁化Mo/CoFeB/MgO系统,获得一种具有高温度稳定性的新型垂直磁各向异性人工反铁磁结构 MgO/CoFeB/Mo/CoFeB/MgO,并研究了相关垂直各向异性人工反铁磁的自旋-轨道力矩(J. Appl. Phys. 118 (2015) 143903;Phys. Rev. B 95 (2017) 104435)。

图1. (左图)多层膜Mo/CoFeB/MgO/CoFeB/Mo经历400°C退火2小时后在垂直薄膜方向与面内的磁化曲线:(a) Mo(5)/ Co40Fe40B20 (1.2)/ MgO(2)/ Co40Fe40B20(1.2)/ Mo(5);(b) Mo(5)/ Co40Fe40B20 (0.9)/ MgO(2)/ Co40Fe40B20(1.1)/ Mo(5) (单位:nm)。(右图)经历400°C退火2小时后多层膜Mo/CoFeB/MgO/CoFeB/Mo的微结构表征:(a) Mo(5)/ Co40Fe40B20 (1.2)/ MgO(2)/ Co40Fe40B20(1.2)/ Mo(5) (单位:nm)的横截面高分辨透射电镜图;(b-c) 分别对应图(a)中方块区域“b”和“c”的快速傅里叶变换衍射图;(d)多层膜的面内选区电子衍射谱。

图2. Mo基垂直磁隧道结Mo(5)/ CoFeB(1.2)/ MgO(1.6)/ CoFeB(1.2)/ Mo(5)与传统Ta基垂直磁隧道结Ta(5)/ CoFeB(1.2)/ MgO(1.6)/ CoFeB(1.2)/ Ta(5)(单位:nm)在300°C、350°C退火后的磁电阻曲线(左图);相同条件下制备的具有反铁磁IrMn钉扎层的普通面内磁化CoFeB/MgO/CoFeB隧道结磁电阻曲线(右图)。


自旋霍尔磁电阻被广泛认为具有不同于各向异性磁电阻的独特的角度依赖关系,我们在单一铁磁金属薄膜中观察到四类各向异性磁电阻(AMR)的角度依赖关系,其中包含和自旋霍尔磁电阻完全相同的角度依赖关系,证明以往所有对于磁性金属薄膜AMR的描述不全面,更说明使用特定的角度依赖磁电阻关系作为自旋霍尔磁电阻的判断是必要但不充分条件(Phys. Rev. B 93 (2016) 075309)。

薄膜各向异性磁电阻效应的全角度测量示意图(a); 室温时代表性薄膜样品MgO/Fe/MgO/SiO2在8 T外场下沿xy, xz和yz面转动的磁电阻随对应角度的变化,样品Fe层厚度分别为(b) 20 nm; (c) 5 nm; (d) 2.5 nm; (e) 2 nm; (f) 1.3 nm; (g) 1.2 nm,显现四种不同角度依赖关系。


內禀大自旋霍尔角材料如Pt在与铁磁层组成的异质结构中存在关于磁近邻效应的争议,我们获得Pt薄膜与磁性绝缘体YIG之间具有磁近邻效应的直接证据,同时发现Pt的正常霍尔系数、电阻率等由于磁近邻效应受到强烈调制(Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 147207;Phys. Rev. B 87 (2013) 220409R)。自旋霍尔效应除自旋-轨道散射内禀机制外,国际上通过杂质共振散射外禀机制导致的大自旋霍尔角材料如Cu(Bi)等稀释合金,这类材料由于不存在平衡态合金相使材料非常不稳定。我们在接近等原子比的Au-Cu合金与YIG组成的异质结构中观察到纵向自旋赛贝克效应、自旋霍尔磁电阻的强烈增强,发现化学无序合金的强烈无序原子散射可以显著增强自旋霍尔角,为新一类外禀增强机制,同时确认了YIG/ Au-Cu结构中反常霍尔效应为零,不存在磁近邻效应,使AuCu合金成为研究自旋流的一种理想模型材料(Phys. Rev. B 93 (2016) 014422)。此外,我们还发现非磁性的FeMn具有负的非常小的自旋霍尔效应,而反铁磁性的FeMn具有正的数倍于前者的自旋霍尔效应,证明了反铁磁序对材料內禀自旋霍尔效应具有强烈调控作用(RSC Advances 6 (2016) 93491)。

(上图)YIG/Au-Cu异质结构的自旋塞贝克电压及Au-Cu电阻率随合金成分的变化;(下图)YIG/Au0.6Cu0.4的自旋霍尔磁电阻随Au0.6Cu0.4厚度的变化。


在铁磁绝缘体和非磁金属(通常重金属)组成的异质结构中,垂直温度梯度使铁磁绝缘体产生自旋流注入非磁金属层中,由于非磁重金属的逆自旋霍尔效应产生可观的逆自旋霍尔电压,即纵向自旋塞贝克效应。当类似的异质结构中包含铁磁金属层,铁磁绝缘体产生的热激化自旋流同样可以注入铁磁金属中,表征相应的逆自旋霍尔电压或者自旋塞贝克效应的挑战性在于,相关异质结在垂直温度梯度下同时还出现常规的反常能斯特效应(ANE)和反常里吉-勒迪克效应(ARLE)。通过具有大自旋-轨道耦合、大矫顽力的Co-Pt合金与YIG组成的赝自旋阀异质结构,我们获得了与ANE和ARLE相分离的可观的逆自旋霍尔电压;对Co-Pt层通过反铁磁IrMn钉扎,使YIG和Co-Pt的磁化翻转和自旋流极化方向得到更为有效的调控,同时使YIG产生的自旋流与铁磁层自身在垂直温度梯度下产生的自旋流在Co-Pt表面被反铁磁IrMn吸收,迥异于赝自旋阀异质结构中相关自旋流在铁磁金属表面被完全反射,在自旋阀异质结构中实现了显著增强的逆自旋霍尔电压;将反铁磁钉扎结构应用于软磁性Co薄膜,同样获得了与ANE和ARLE相分离的,但较之Co-Pt明显弱化的逆自旋霍尔电压。我们的结果表明,自旋阀异质结构是探测自旋流的一种有效方式,重金属元素对铁磁合金的自旋-轨道耦合相关的物理效应,如逆自旋霍尔效应、反常霍尔效应等具有显著影响(Phys. Rev. Appl. 7 (2017) 044003)

(上图)垂直温度梯度下,自旋阀异质结构中自旋流及其极化方向与铁磁绝缘体、铁磁金属磁化方向的调控;在垂直温度梯度下热电压随外磁场的变化:(左上图)生长于GGG衬底上的Cu/Co-Pt双层膜;(左下图)YIG/Cu/Co-Pt赝自旋阀异质结构;(右上图)YIG/Cu/Co-Pt/IrMn自旋阀异质结构;(右下图)生长于GGG衬底上的Cu/Co-Pt/IrMn三层膜。