劉帥，云霞

垂直磁各向異性Co/Pt多層膜在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用

劉帥，云霞

（北京工商大學(xué)物理系，北京 100048）

隨著電子學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)電子元件的尺寸、功耗和信息處理速度等指標(biāo)均提出了更高的要求。而材料是制備各種電子元器件的基礎(chǔ)，其中Co/Pt多層膜以其良好的垂直磁各向異性等優(yōu)點(diǎn)而備受人們的關(guān)注。到目前為止，人們已經(jīng)成功把垂直磁各向異性Co/Pt多層膜應(yīng)用到了磁記錄、自旋閥、磁隧道結(jié)、反?；魻栐牨谝苿?dòng)自旋器件、磁性斯格明子、自旋軌道矩元件等領(lǐng)域，并獲得了優(yōu)異的性能。

Co/Pt多層膜；垂直磁各向異性；自旋閥；磁隧道結(jié)

1 引言

在傳統(tǒng)電子學(xué)中，人們重點(diǎn)利用的是電子的電荷屬性，20世紀(jì)80年代末發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)開辟了人類對(duì)電子的另一重要屬性——自旋屬性操縱的新紀(jì)元。之后人們把電子的自旋屬性和電荷屬性進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域——自旋電子學(xué)[1]。時(shí)至今日，自旋電子學(xué)經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展已經(jīng)取得了舉世矚目的成就，如高密度計(jì)算機(jī)硬盤、高性能非揮發(fā)磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等。兩位巨磁電阻的發(fā)現(xiàn)者也因此而獲得了2007年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

要想制備出高性能的自旋電子學(xué)器件，首先要有高性能的材料，所以歸根到底，材料才是整個(gè)自旋電子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。自旋電子學(xué)中常用的材料包括過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni以及它們與各種非磁金屬、氧化物等復(fù)合而成的材料體系。這其中Co/Pt多層膜體系以其良好的垂直磁各向異性、容易調(diào)制的各種磁性參數(shù)以及大自旋軌道耦合效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而在自旋電子學(xué)中得到了廣泛引用。

2 Co/Pt多層膜及其性能特點(diǎn)

1988年CARCIA發(fā)現(xiàn)，在用磁控濺射生長(zhǎng)的Co/Pt周期性多層膜中，當(dāng)Co層厚度小于1.4 nm時(shí)，多層膜可具有垂直磁各向異性[2]。Co/Pt周期性多層膜的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，Co/Pt多層膜垂直和平行薄膜表面方向的磁滯回線如圖2所示，可以看到多層膜有非常好的垂直磁各向異性。

Co/Pt多層膜之所以在自旋電子學(xué)中被廣泛應(yīng)用是由于它具有以下幾方面的優(yōu)良性質(zhì)：多層膜的有效磁各向異性常數(shù)Keff可高達(dá)106erg/cm3量級(jí)；可以通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)周期膜中Co層厚度、Pt層厚度、周期數(shù)等因素調(diào)控多層膜的磁性，例如矯頑力、飽和場(chǎng)等；Pt層的自旋流很強(qiáng)，所以可以通過(guò)高效的自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)磁性層的磁矩；除了在磁學(xué)中常用的磁場(chǎng)和電流外，還可以通過(guò)電壓、激光脈沖等手段調(diào)控Co/Pt多層膜的磁性。

圖1 Co/Pt多層膜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Co/Pt多層膜垂直和平行膜面方向的磁滯回線

3 Co/Pt多層膜在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用

3.1 磁光記錄介質(zhì)和垂直磁記錄介質(zhì)

Co/Pt多層膜在短波長(zhǎng)（＜500 nm）范圍有很大的磁光科爾效應(yīng)，這為高磁光記錄密度的實(shí)現(xiàn)提供了可能[3]。除了磁光記錄介質(zhì)，Co/Pt多層膜還可作為垂直磁記錄介質(zhì)儲(chǔ)存信息。目前，人們已經(jīng)制備出了垂直磁各向異性常數(shù)為10×106erg/cm3，矯頑力高達(dá)4.7 kOe的可作為垂直磁記錄介質(zhì)的Co/Pt多層膜，進(jìn)一步在Pt底層和玻璃基片之間插入FeTaC軟磁層可使矯頑力提高到5.8 kOe。Co/Pt多層膜的高垂直磁各向異性常數(shù)和較薄的記錄層厚度使其很有前景成為下一代磁記錄介質(zhì)。

3.2 具有垂直磁各向異性的自旋閥

隨著電子元件尺寸縮小到亞微米量級(jí)，面內(nèi)磁各向異性材料在磁矩翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的卷曲效應(yīng)越來(lái)越明顯，這極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了縮小元件尺寸從而提高存儲(chǔ)密度，具有垂直磁各向異性的材料被引入到了自旋閥結(jié)構(gòu)中。人們首先制備出了以Co/Pt多層膜為鐵磁層、以反鐵磁FeMn為釘扎層的交換偏置自旋閥結(jié)構(gòu)。但是這種交換偏置自旋閥的磁電阻值都很低（不到1%），其主要原因是自旋閥中極厚的金屬反鐵磁層產(chǎn)生了嚴(yán)重的分流作用。課題組經(jīng)過(guò)仔細(xì)優(yōu)化自由層和參考層厚度等因素，制備出了具有良好垂直磁各向異性的無(wú)金屬反鐵磁層的贗自旋閥結(jié)構(gòu)Pt（5 nm）/[Co（0.4 nm）/Pt（0.6 nm）]3/Co（0.4 nm）/Cu（3 nm）/[Co（0.4 nm）/Pt（1.5 nm）]4，并獲得了室溫下3.0%的磁電阻值[4]。

上述自旋閥在磁電阻測(cè)量過(guò)程中電流平行膜面流動(dòng)，稱為電流平行平面自旋閥，還有一種自旋閥電流垂直膜面流動(dòng)，稱為電流垂直平面自旋閥，電流垂直平面自旋閥中鐵磁層磁化強(qiáng)度的翻轉(zhuǎn)可以不借助外磁場(chǎng)，而是利用自旋極化電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移矩。目前，人們已經(jīng)制備出了以Co/Ni和Co/Pt多層膜為鐵磁層的電流垂直平面自旋閥結(jié)構(gòu)，在該自旋閥中還實(shí)現(xiàn)了在不借助外磁場(chǎng)情況下電流直接對(duì)鐵磁層磁矩的翻轉(zhuǎn)。

3.3 具有垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)

和自旋閥一樣，制備磁隧道結(jié)的材料也經(jīng)歷了從面內(nèi)磁各向異性向垂直磁各向異性的轉(zhuǎn)變[5]。人們首先制備出了以Co/Pt多層膜為參考層和自由層、以AlOx為隔離層的垂直隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，并且在6.5×4 μm2的元件上測(cè)量得到了15%的隧道磁電阻值。后來(lái)，人們把AlOx隔離層換成了結(jié)晶化程度更好的MgO隔離層，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲得了室溫下19%的隧道磁電阻值。

由于重金屬元素Pt有很強(qiáng)的自旋軌道耦合作用，一方面導(dǎo)致純Co/Pt多層膜磁隧道結(jié)隧道磁電阻值較低；另一方面還導(dǎo)致磁性層的磁阻尼系數(shù)很大，在利用自旋轉(zhuǎn)移矩翻轉(zhuǎn)磁化強(qiáng)度時(shí)需要較大的電流密度，不利于降低元件的能耗。而CoFeB的磁阻尼較小，磁化強(qiáng)度易于翻轉(zhuǎn)，同時(shí)磁電阻值也較高，但是缺點(diǎn)是垂直磁各向異性較弱。結(jié)合Co/Pt多層膜和CoFeB各自的優(yōu)缺點(diǎn)，人們制備出了含有上述兩種磁性層的復(fù)合結(jié)構(gòu)磁隧道結(jié)并獲得了良好的性能，其中一種結(jié)構(gòu)為Ta（5 nm）/[CuN（20 nm）/Ta（5 nm）]2/Ru（5 nm）/[Co（0.2 nm/Pt（0.2 nm）]4/Co60Fe20B（0.8 nm）/MgO （1.1 nm）/Co70Fe30（0.4 nm）/Co60Fe20B（1.3 nm）/TbFeCo（16 nm）。

3.4 反?；魻栃?yīng)元件

由于Co和Pt原子之間的強(qiáng)烈自旋軌道耦合作用以及界面散射，Co/Pt多層膜具有非常大的反?；魻栃?yīng)[6]?？梢岳肅o/Pt多層膜的反?；魻栃?yīng)制備傳感器、記憶單元和邏輯單元等。

為了提高元件的性能，需提高Co/Pt多層膜的反常霍爾電阻值，多數(shù)情況下還要減小其飽和場(chǎng)和矯頑力。人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)引入MgO、CoO和Hf等功能層可使Co/Pt多層膜的反?；魻栃阅苡泻艽筇岣?。

3.5 疇壁移動(dòng)自旋器件

Co/Pt多層膜強(qiáng)烈的垂直磁各向異性使多層膜中形成了厚度僅為納米量級(jí)的Bloch疇壁，同時(shí)磁光科爾效應(yīng)為測(cè)量疇壁移動(dòng)速度提供了方便，所以Co/Pt多層膜特別適合制作疇壁移動(dòng)記錄單元。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在Co/Pt多層膜納米線中，利用磁場(chǎng)和電流驅(qū)動(dòng)多層膜疇壁快速移動(dòng)，研究還發(fā)現(xiàn)表面聲波的輔助作用可使Co/Pt多層膜的疇壁移動(dòng)速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)[7]。

3.6 磁性斯格明子

磁性斯格明子是一種拓?fù)浔Ｗo(hù)性的粒子，由于其尺寸小、易被電流驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)可以應(yīng)用于未來(lái)高密度磁信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域[8]，最近幾年，這一新興研究領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)引起了人們的極大關(guān)注。在Pt/Co/Metal體系中，人們也發(fā)現(xiàn)了磁性斯格明子的存在，例如Pt/Co/Ir體系、Pt/Co/W體系、Pt/Co/Os體系等。目前，人們正對(duì)這些體系進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期能獲得較快的斯格明子移動(dòng)速度等性能。

3.7 自旋軌道矩器件

自旋軌道矩是由自旋霍爾效應(yīng)引起的自旋力矩，和自旋轉(zhuǎn)移矩類似，自旋軌道矩也可用來(lái)翻轉(zhuǎn)磁性層的磁矩。在Co/Pt體系中，人們發(fā)現(xiàn)了很強(qiáng)的自旋軌道矩效應(yīng)并對(duì)此進(jìn)行了深入研究[9]。目前，人們已經(jīng)把自旋軌道矩效應(yīng)應(yīng)用在了磁隨機(jī)存儲(chǔ)器中去翻轉(zhuǎn)自由層的磁矩。相較于自旋轉(zhuǎn)移矩，自旋軌道矩有著更快的讀寫速度和更低的功耗，同時(shí)也很好規(guī)避了自旋轉(zhuǎn)移矩器件中由于使用很大的電流穿過(guò)隧道結(jié)而帶來(lái)的耐久性問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，Co/Pt多層膜在自旋電子學(xué)中有著非常重要且廣泛的應(yīng)用。伴隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，Co/Pt多層膜的性能也被逐漸優(yōu)化，以期適用于更多的高性能自旋電子學(xué)器件中。

［1］都有為.自旋電子學(xué)及其器件產(chǎn)業(yè)化［J］.科學(xué)中國(guó)人，2016（13）：6-13.

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O482

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.065

2095－6835（2020）13－0155－02

劉帥（1984—），男，研究方向?yàn)榇判员∧げ牧稀?/p>

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕