磁性隧道结中垂直自旋转矩效应的微磁研究

对纳米尺度磁性器件中自旋极化电流直接调控磁矩的行为特性开展系统深入研究，将极大推进自旋转矩型磁性随机存储器和微波振荡器等新型自旋电子器件的开发。本项目针对自旋阀和磁性隧道结中自旋转矩效应的机理和其它一些关键科学技术问题开展了系列研究。在该项目资助下，共发表了24篇SCI论文(含APL 10篇)。项目执行期间主要取得以下结果：1）开发了包含自旋转移矩垂直项的微磁模拟程序，研究了磁性隧道结器件中面内和垂直项共存时电流驱动的磁动力学特性，揭示了垂直转矩项对磁化翻转的加速作用依赖于电流方向；2）设计了一种翻转速度能够提高近10倍的“垂直-面内”双自旋极化型先进自旋阀结构，并发现其自旋转矩强度表现为“不翻转、翻转、和周期振荡”三种不同的动力学行为参数空间；3）建立了经过多次散射后自旋转矩STT效率因子的解析模型。发现多次反射效应的引入不仅使STT临界翻转电流密度降低，而且会改变自由层的进动频率随电流变化的对称性，表现为负电流时频率变化迅速的特点；4）在保持强垂直各向异性的前提下，获得了一种可有效提高Co/Ni多层膜垂直矫顽力的的在位热处理方法；5）此外，在反铁磁垂直交换耦合强度的温度依赖性、磁阻尼系数的界面影响、纳米线中磁畴壁的退钉扎行为和飞秒激光调控的超快退磁过程等方面也得到不少有意义成果。

磁性隧道结是磁性随机存储器（MRAM）的首选记录单元材料，研究流过纳米存储单元的自旋极化电流所产生的转矩作用是当前国际磁学界的一个重要热点领域。与近几年研究较多的面内自旋转矩效应相比，2008年新发现的垂直自旋转矩效应是电流驱动隧道结磁化翻转的又一关键因素，对研发电流直接操控的自旋转矩型MRAM至关重要。然而有关该效应的物理机理、特性和作用等基础性研究才刚刚起步，亟待深入探讨。本课题拟采用微磁学方法，发展隧道结中的自旋转矩模型，研究垂直自旋转矩与偏压、隧道结结构对称性等因素的依赖关系，阐明垂直自旋转矩效应的物理机制，进而理论优化隧道结器件结构，探讨降低翻转电流的有效方法和途径，为发展新型电流直接驱动的MRAM奠定理论基础。

在基金的资助下：对高自旋极化具有垂直各向异性的FeCo和FePt磁性开展了研究，分析了交换偏置与工艺参数的关系等和磁性隧道结制备密切相关的物理问题。 a)研究了FeCo/Au多层膜的自旋重取向，认为其垂直各项异性和界面的应力有较大的关联。文章发表在JOURNALOF APPLIED PHYSICS 109,123918(2011) SCI收录，第一和责任作者。b)提出由于在轰击过程中轰击离子与材料表面存在能量交换会导致材料表面的温度升高，从而影响材料的粘滞系数，导致轰击的微纳米结构偏离BH理论的预期，具体表现为临界角度发生了明显变化，在实际采用离子轰击制备表面微纳米结构工作中应该考虑这种离子轰击热效应导致的差异。该工作发表在Bulletin of Materials Science第一和责任作者。c)对FePt/CrPt双层膜的交换偏置研究，采用不同的双层膜结构，发现采用CrPt为底的时候交换偏置现象比较明显，样品结构更理想。该工作发表在Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol.11,1–4,（2011）SCI收录，第二和责任作者。d)用非正常霍尔效应对CoFeB/Pt多层膜的垂直各项异性进行了。分析了薄膜厚度，周期等参数对垂直各项异性的影响。发表在：Acta Phys. Sin. 61, 167504 (2012)，第二作者。该项工作与中科院物理所朱涛研究员合作完成。

库仑阻塞效应和自旋积累效应之间的相互影响是纳米尺度下电子电荷和电子自旋动态过程相互关联的物理问题。由此而产生的自旋相关单电子隧穿器件是纳米自旋电子学的一个基本构成单元。本项目拟采用物理沉积和化学自组装方法，通过对绝缘势垒层上纳米颗粒的形貌，尺寸和空间排布的控制，制备出含有非磁性纳米颗粒的单电子隧穿磁性隧道结，通过偏压和门电压调控纳米颗粒的库伦荷电能，来影响其自旋积累效应，实现利用库仑阻塞效应调控纳米颗粒上自旋积累效应。采用考虑自旋积累的单电子隧穿正统理论分析其磁电输运特性，进一步理解纳米尺度下电子电荷和自旋之间的相互影响机理，从物理机制上理清二者的关联，最终揭示库仑阻塞对自旋积累操控的规律和物理机制，为设计以库仑阻塞调控自旋积累为机制的器件提供理论依据。

电子自旋的微波动力学研究，使自旋电子器件由静磁场调制翻转特性研究向微波调制下的高频特性研究发展，也由此产生了自旋转矩、自旋泵浦、自旋霍尔、逆自旋霍尔等一系列新的自旋效应。这些自旋效应的产生、控制、探测等均与磁矩的进动密不可分，因而如何调制磁性薄膜的进动模式、阻尼系数、铁磁共振频率以及其对现有自旋电子器件的影响、对新一代自旋电子器件的开发等成为了目前微波自旋动力学研究的关键。因此本项目将立足于此，建立铁磁/非磁性/铁磁多层膜体系磁矩进动模型，开展了磁矩间铁磁及反铁磁耦合对自旋泵浦频率影响研究；将超低气压制备手段引入其中，发现当薄膜沉积气压低于目前常规溅射气压一至两个数量级时，可实现磁性薄膜阻尼的有效调制，进一步实现对自旋泵浦效应的调控；最后，开展了NiFe（CoFe）/Cu(Ru/Ta)/ NiFe（CoFe）等多层膜制备及层间耦合效应影响研究，通过中间非磁性层厚度的改变，在NiFe/Ru/CoFe多层膜中实现了大于1000Oe的共振场调制。 2100433B