苗 君，任增耀，姜 勇

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

高密度存儲、快速讀寫的磁性邏輯器件是磁學領(lǐng)域中人們一直關(guān)注與研究的課題.隨著人們對數(shù)據(jù)存儲密度和讀寫速度要求的提高，磁疇壁在信息存儲領(lǐng)域中引起人們的注意.自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的提出使得疇壁動力學研究受到極大的關(guān)注，磁疇壁的驅(qū)動并不依賴于磁場，而是利用自旋極化電流推動磁疇壁向前或向后運動.這一革命性的進展，再一次推動了基于磁疇壁運動的邏輯器件、信息存儲的研究，另一方面,磁信息的讀寫速度與穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，由此引起科學界對磁疇壁結(jié)構(gòu)、磁疇壁電阻和疇壁動力學的深入研究以及對邏輯器件、信息存儲器件的探索.

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 疇壁與疇壁磁電阻

磁疇壁是指在磁體內(nèi)部相鄰兩磁疇之間形成的具有一定厚度的過渡層.磁疇壁內(nèi)相鄰的自旋之間是以微小的角度相錯位，使得內(nèi)部的每個自旋方向偏離易磁化軸.因此，磁疇壁的能量主要是以各向異性能和交換能的形式來儲存.如圖1 所示，根據(jù)疇壁中磁矩的過渡方式不同，疇壁可分為布洛赫壁和奈爾壁兩種類型[1].通常在較厚的磁性薄膜材料中容易出現(xiàn)布洛赫壁，而在極薄的磁性薄膜材料中一定條件下會出現(xiàn)不同于布洛赫壁的奈爾壁.在奈爾壁中，磁矩是平行于膜表面而逐步過渡的，而布洛赫壁中，磁矩則平行于疇壁逐步過渡，奈爾壁的穩(wěn)定程度與薄膜的厚度有關(guān).

圖1 布洛赫疇壁和奈爾疇壁的結(jié)構(gòu)示意圖

近年來，人們一直探索在金屬磁性材料中用磁疇壁存儲信息的可能性，并提出了各種基于磁疇壁運動的自旋電子學元件[2-6]，其中疇壁磁電阻引起了人們的注意.疇壁磁電阻是指由于疇壁兩側(cè)的磁化方向不同，當電子通過疇壁時會受到費米面附近不同磁化方向磁矩的散射，電阻通常較高，而當外加磁場使疇壁兩側(cè)的磁化方向一致時即疇壁消失，這種散射將會減小，從而導致電阻下降.1999年Garcia等人[7]利用兩個鎳金屬線在末端形成納米級針尖，施加外力形成納米點接觸，在室溫條件下得到了高達280%疇壁磁電阻，這是有關(guān)疇壁磁電阻第一個令人關(guān)注的結(jié)果.但這種點接觸結(jié)構(gòu)的寬度并不確定，且不能排除接觸界面的影響.Miyake等[8]利用納米加工技術(shù)制作出寬度為15 nm的鎳點接觸納米結(jié)構(gòu)，通過改變外加磁場觀察到與疇壁有關(guān)的電阻變化約0.3 Ω，他們認為這是由于點接觸位置的磁結(jié)構(gòu)形成Néel壁，而外加磁場增大將會影響磁電阻變化(圖2).

目前，人們通過納米微加工手段可直接制作出納米量級的點接觸結(jié)構(gòu)[9-11].顧長志等[11]利用納米加工技術(shù)和電測法研究疇壁磁電阻，制備出各種寬度的鐵磁金屬納米點接觸結(jié)構(gòu)，獲得電阻與電壓的變化關(guān)系，圖3是因瓦合金寬度為50 nm的點接觸電阻與電壓的關(guān)系曲線，由于磁矩的方向在疇壁附近不同，當自旋極化電流通過時，電子將受到非共線磁矩的散射，同時電子自旋的方向隨著磁矩方向緩慢變化，將一部分角動量傳遞給磁矩.當電流密度大到一個臨界值時，在點接觸位置的疇壁會脫離，即在點接觸位置磁矩發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，因此，引起電阻的突變.文獻[11]還指出，隨著矯頑力的增加鐵磁納米點接觸出現(xiàn)疇壁磁電阻的臨界寬度不斷減小，發(fā)現(xiàn)疇壁電阻隨著疇壁寬度的增加逐漸下降而與疇壁厚度的倒數(shù)成線性關(guān)系.

圖2寬度為15nm的點接觸納米結(jié)構(gòu)(a)及電阻隨磁場的變化(b)[8]

Fig.2 Nanocontact structure with contact width of 15 nm (a), the dependence of the resistance on the magnetic field(b)[8]

圖3 50 nm的點接觸電阻與電壓關(guān)系[11]

在磁性納米器件中，可利用人為缺陷產(chǎn)生的勢阱來捕獲疇壁[12]，也可以利用多層軟硬磁復合結(jié)構(gòu)界面處的應(yīng)變產(chǎn)生疇壁[13].此外，外加磁場和脈沖電流能夠使磁矩反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生疇壁.例如特定形狀的納米結(jié)構(gòu)中，通過外加旋轉(zhuǎn)磁場改變磁矩排列，從而產(chǎn)生磁疇壁[14]；另外，在磁性納米線中，可利用脈沖電流產(chǎn)生的局域磁場而注入疇壁[15].為進一步提高疇壁的運動速度，必須抑制Walker Breakdown[16].目前的方法是外加橫向或垂直外場，或增加納米線邊緣的粗糙度.許多研究表明，這些方法有效地增加了磁疇壁形態(tài)的穩(wěn)定性，獲得了較高的運動速度[17-18].

此外，利用自旋極化電流脈沖來實現(xiàn)向前或向后推動磁疇壁，可改變納米結(jié)構(gòu)中的磁矩方向，或利用疇壁產(chǎn)生的高局域靜磁場轉(zhuǎn)變鄰近元件的磁矩方向.該方法在自旋電子器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力，目前自旋極化電流引起疇壁運動的課題，理論研究明顯領(lǐng)先于實驗研究[19-20].

1.2 電流誘導疇壁運動

目前疇壁與電流之間相互作用的機制是人們關(guān)注的熱點[21-26]，對磁納米線磁疇壁動力學及其自旋結(jié)構(gòu)的微磁學模擬[27-29]和實驗[30-31]已有許多相關(guān)報道.

日本Saitoh等人[32]發(fā)現(xiàn)Ni81Fe19納米線中疇壁可以與外交變電場發(fā)生共振，其共振頻率隨著外加磁場的增加而增大；德國的Kl?ui等人[33]利用直流脈沖控制Fe20Ni80納米線上的疇壁運動，配合高分辨磁力顯微鏡，測量疇壁在自旋極化電流推動下的運動速率.當電流推動疇壁運動過程中，由于閾值電流密度值大(～1012A/m2)，除熱梯度對疇壁的推動作用，熱效應(yīng)對疇壁的運動也有較大影響[34].

近年來，自旋轉(zhuǎn)矩傳輸(Spin Torque Transfer)吸引了學術(shù)界的強烈興趣，利用自旋角動量轉(zhuǎn)矩可以實現(xiàn)向前或向后推動磁疇壁.2000 年美國康奈爾學者首次在Co/Cu/Co 的3層結(jié)構(gòu)納米柱中實驗觀測到STT 效應(yīng)誘導磁化反轉(zhuǎn)行為[35-36].隨后，美國Grandis 公司Huai 等人[37]與康奈爾大學Fuchs 等人[38]同時在低電阻MTJ 中觀察到STT 誘導磁化反轉(zhuǎn)行為.Huai 等人[39]在以Al2O3和MgO(001) 為勢壘層的正常電阻MTJ 中實現(xiàn)了STT 誘導磁化反轉(zhuǎn).姜勇等人[40]報道的“反對稱自旋閥結(jié)構(gòu)Cu/Co90Fe10/Ru/Co90Fe10/Cu/Co90Fe10/IrMn/Cu/Ta，其零場STT臨界電流密度降低到了原來的1%，該結(jié)果被收錄到2005年至今各年度的《國際半導體技術(shù)藍圖》(ITRS).

Parkin等[41]提出的新型磁疇壁賽道存儲器(Domain Wall Race Track Memory)，如圖4所示.每個疇都擁有1個頭(正或北極)和1個尾(負或南極)，且頭對頭和尾對尾的磁疇壁交替出現(xiàn).釘扎點(pinning site)和脈沖極化電流控制著磁疇壁間的距離(位長).自旋極化電流引起的自旋角動量轉(zhuǎn)移效應(yīng)是磁疇壁運動的驅(qū)動力.由于自旋散射的作用電流通過磁性材料時變成自旋極化電流，從而具有自旋角動量.當極化電流穿過疇壁時，會將其自旋角動量傳遞給疇壁，從而對疇壁里的磁矩產(chǎn)生一個力矩的作用，并導致疇壁的移動.一個系列的磁疇壁在極化電流的驅(qū)動下能整體向同一個方向移動.這種存儲方法具有低成本、快速和可靠的優(yōu)點，在自旋電子存儲器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力[42-43].

Fig.4 Schematic of three dimensional magnetic domain wall race track memory of reading and writing[41]

1.3 磁性自旋邏輯電路

磁性自旋邏輯器件目前有兩個發(fā)展方向：其一是磁性半導體自旋邏輯器件，另一個是磁性金屬自旋邏輯器件.2003年德國Koch小組[44]提出一種利用多層金屬薄膜組成的磁隧道結(jié)(MTJ)實現(xiàn)邏輯操作的器件模型，他們通過磁隧道結(jié)上面的多層薄膜控制下面薄膜的磁化狀態(tài)，實現(xiàn)邏輯與和邏輯或的功能，但要實現(xiàn)這種器件要求材料的磁電阻非常高，至今仍很難在實驗上實現(xiàn).

2004年日本Ohno小組[45]利用鐵磁半導體材料制作的微結(jié)構(gòu)，在脈沖電場作用下電阻顯示出周期振蕩的特性，可以用來制作開關(guān)裝置，但必須在83 K的環(huán)境溫度中工作.2005 年英國Cowburn小組設(shè)計并制作出一種基于疇壁運動磁化翻轉(zhuǎn)的邏輯器件[46-47].利用坡莫合金制作的納米線，納米線中的疇壁在外加磁場驅(qū)動下沿著納米線移動，改變磁化方向，實現(xiàn)了Kerr磁光信號(MOKE)的邏輯運算.

2006年，荷蘭鹿特丹大學的研究組設(shè)計并制作出一種由量子點陣列組成的體系[48]，如圖5所示.他們利用坡莫合金制作出一系列橢圓形的量子點結(jié)構(gòu)，每個量子點上只有1個磁疇，即1個量子點具有1個磁化方向，不同的磁化方向代表不同的邏輯符號0或1.信息通過相鄰量子點間磁化感應(yīng)向前傳遞，使該系統(tǒng)具有一定的邏輯處理功能.

圖5 磁疇量子點陣列組成的邏輯信號及器件[48]

Fig.5 Logic signals and device composed of magnetic domain quantum dot array[48]

此外，人們還關(guān)注自旋極化電流誘導磁化翻轉(zhuǎn)(Current Switch)效應(yīng)，在無外加磁場下實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，開拓了磁場與電場之間的新途徑，擴寬自旋邏輯存儲器件的應(yīng)用領(lǐng)域[49-53].

2 主要研究內(nèi)容

2.1 納米結(jié)構(gòu)中的疇壁自旋結(jié)構(gòu)

磁疇壁具有豐富的內(nèi)容，探測疇壁的主要方法有電測法、磁學顯微法和光學法[54-69].電測法主要包括各向異性磁電阻，巨磁電阻和反常霍爾效應(yīng).各向異性磁電阻只能探測疇壁是否存在，卻不能確定其位置[54].巨磁電阻可以探測疇壁的傳播[55]，但由于自旋閥本身結(jié)構(gòu)的特點，產(chǎn)生奧斯特場對疇壁的運動產(chǎn)生干擾[56].反?；魻栃?yīng)可以用來研究具有垂直各向異性的磁性材料的疇壁運動[57]，但需要將研究對象做成霍爾十字，而在十字處會對疇壁產(chǎn)生釘扎作用，這將不利于研究退釘[58].雖然電測法能夠區(qū)分疇壁的自旋結(jié)構(gòu)，但疇壁的具體結(jié)構(gòu)要通過磁學成像技術(shù)，如磁力顯微術(shù)(MFM)，透射電子顯微鏡(TEM)，極化分析掃描電子顯微術(shù)(SEMPA)，掃描透射X射線顯微分析法(STXM)，光發(fā)射電子顯微(PEEM，后兩種方法要與X射線磁性圓二色(XMCD)結(jié)合.

磁力顯微術(shù)得到普遍應(yīng)用[59-60]，其操作簡單且分辨率高，但磁探針可能導致疇壁結(jié)構(gòu)變化甚至移動[58].電子顯微術(shù)由于具有非入侵、高分辨率的優(yōu)點適合對磁納米結(jié)構(gòu)的疇壁成像.透射電子顯微鏡樣品加工復雜，且樣品非常薄導致基片的熱量耗散減少，焦耳熱效應(yīng)引起溫度上升，施加高電流密度誘導疇壁移動時，很容易達到樣品居里溫度[61].極化分析掃描電子顯微術(shù)依靠磁性樣品中發(fā)射出來的二次電子反映材料的磁矩方向[62-64]，其對表面非常敏感，需要表面干凈，此外，由于與高磁場不兼容，引起二次電子自旋進動，導致信號的丟失.X射線磁性圓二色與掃描透射X射線顯微鏡和光發(fā)射電子顯微鏡相結(jié)合是研究磁學的最有力的方法[65-66]，且基于X射線磁性圓二色方法的靈敏度非常高.光學法中的磁光克爾顯微術(shù)，是研究固體薄膜磁性的有效手段[67-69]，且成功地研究了次納米線的疇壁運動[70]，然而，由于激光斑點在樣品上的衍射限制，只適合小如30 nm樣品[71].

Yao[59]等利用磁力顯微鏡研究了坡莫合金的納米點接觸在施加磁場前后的磁疇壁分布，如圖6(a)是施加磁場前，圖6(c)是施加磁場后的MFM圖像.研究發(fā)現(xiàn)，在樣品中剩余磁化可以改變磁疇壁的分布，且正常的接觸與錯配接觸會影響疇壁的形核.Chen[60]等用磁力顯微鏡研究了具有刻痕的納米線的磁疇壁移動，指出刻痕的深度會影響納米線的疇壁移動.Gaul[62]等利用極化分析掃描電子顯微術(shù)研究交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁疇和相應(yīng)的疇壁結(jié)構(gòu).

圖6坡莫合金納米點接觸疇壁結(jié)構(gòu)在施加磁場前的MFM圖(a)和示意圖(b)，施加磁場后的MFM圖(c)和示意圖(d)[59]

Fig.6 MFM images and sketches of domain wall of a Permalloy nanocontact before(a) (b) and after(c) (d) applying a magnetic field[59]

在磁性納米線中，疇壁的自旋結(jié)構(gòu)由能量決定[72]，根據(jù)朗道自由能理論在無外場的情況下，疇壁的能量主要由交換能和雜散場能決定.如果交換能占主導作用，為了降低交換能相鄰的自旋只有微小的角度變化形成較厚疇壁.如果雜散場占主導，則自旋結(jié)構(gòu)會盡可能地與結(jié)構(gòu)邊界保持平行形成較窄的疇壁[58].在1997 McMichael和Donahue對納米線的疇壁結(jié)構(gòu)進行了微磁學模擬研究[73]，并預測會出現(xiàn)兩種類型的疇壁：橫向疇壁(TW)和渦旋疇壁(VW)，如圖7所示.橫向疇壁的自旋只在面內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，渦旋疇壁的磁矩非常特別，磁矩繞著渦旋中心螺旋排列，而中心處的磁矩指向面外.橫向疇壁和渦旋疇壁的雜散場不同，渦旋疇壁的雜散場的橫向分量更小[73].

根據(jù)雜散場和交換能的能量，可以研究哪種幾何結(jié)構(gòu)更容易形成渦旋壁或橫向壁.從實驗、微磁學模擬和理論計算的角度研究納米環(huán)的幾何結(jié)構(gòu)對頭對頭的疇壁結(jié)構(gòu)的影響[74-78].圖8是疇壁類型的相圖,圖8(a)為室溫下坡莫合金納米環(huán)的相圖[74]，圖8(c)為室溫下鈷納米環(huán)相圖[75]，兩個渦旋疇壁壁相夾著中間的橫向疇壁相.圖8(b)和圖8(d)是實驗、理論計算和微磁學模擬的對比[74-75].

Fig.7 疇壁(a)，橫向疇壁(b)和渦旋疇壁(c)示意圖[58]

Fig.7 Schematic of a domain wall (a)，a transverse domain wall (b)and a vortex domain wall (c)[58]

圖8 實驗、計算、模擬法的疇壁結(jié)構(gòu):實驗法的坡莫合金(a)和Co(c)的相圖及相應(yīng)的實驗、計算、微磁模擬的對比圖(b,d)[58]

Fig.8 Experimental, calculative and simulative phase diagrams for domain wall：experimental phase diagrams for head-to-head domain walls in (a) permalloy and (c) Co rings at room temperature；comparison of the upper experimental phase boundary with results from calculations and micromagnetic simulations(b),(d)[58]

3種方法得到的第一個相界線并不一致，因為計算是由總能量決定生成疇壁的類型[72]，會嚴格遵守能量最低原則，而實驗過程中先施加外場使其磁化飽和，然后撤掉外場[74]，此過程中橫向疇壁是可逆的，而要生成渦旋壁，則需要克服一個能量勢壘，這造成渦旋疇壁的滯后，實驗法不完全遵守能量最低的原則，因此，在寬、厚的納米環(huán)中可以生成橫向壁，此時局域能量最低.然而模擬的的相界線向更厚更寬的方向移動，這與熱激發(fā)有關(guān)，微磁模擬中溫度為0 K沒有考慮熱激發(fā)，實驗中存在熱激發(fā)，使橫向疇壁克服勢壘轉(zhuǎn)變?yōu)闇u旋疇壁，即溫度升高橫向疇壁轉(zhuǎn)變?yōu)闇u旋疇壁[58].

而在尺寸更大的的納米環(huán)中，由于滿足局域能量最低，會生成更為復雜的疇壁.Kl?ui等人[79]用X射線磁性圓二色與光發(fā)射電子顯微鏡相結(jié)合研究了不同厚度和寬度的坡莫合金納米環(huán)的疇壁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)除簡單的單核渦旋疇壁，還會生成多核渦旋疇壁(圖9).

圖9 復雜渦旋疇壁圖像[79]

而Fonin[80]等利用X射線磁性圓二色與光發(fā)射電子顯微鏡相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)在具有磁晶各向異性的Fe3O4納米環(huán)中，納米環(huán)被分成了4個部分(圖10)：2個90°的疇壁、1個頭對頭的疇壁、1個尾對尾的疇壁，頭對頭和尾對尾的疇壁呈“之”字型，而每個磁疇的磁矩都是指向面內(nèi)的某一個易磁化軸，與坡莫合金[74]不同的主要原因是Fe3O4具有磁晶各向異性.

圖10 Fe3O4納米環(huán)的疇壁[80]

2.2 納米結(jié)構(gòu)中的疇壁磁電阻

由于疇壁兩側(cè)的磁化方向不同，當電子通過疇壁時會受到費米面附近不同磁化方向磁矩的散射，電阻通常較高.當外加磁場使疇壁兩側(cè)的磁化方向一致時，這種散射將減弱，從而導致電阻下降，即疇壁磁電阻.從磁疇壁內(nèi)的電子自旋結(jié)構(gòu)看，相鄰的自旋之間是以微小的角度相錯位，使得內(nèi)部的每個自旋多少偏離易磁化軸.磁疇壁的能量主要以各向異性能和交換能的形式來儲存，當施加外磁場時，磁疇壁為達到Zeeman 能最小化而開始移動，表現(xiàn)出類似于粒子的動力學行為特性.

在理想的磁性納米線結(jié)構(gòu)中，由于形狀各向異性，磁化強度的方向被限定在納米線的軸向方向上，即理想納米線應(yīng)該為一個單疇結(jié)構(gòu)，不存在磁疇壁.但低維磁性金屬納米結(jié)構(gòu)的磁邏輯器件中，需要一定的條件產(chǎn)生可以移動的疇壁.疇壁的產(chǎn)生或釘扎，可以有很多種實驗方法[12,60,81].在沒有磁場或外磁場強度較小時，最常見的方式是磁性材料摻雜或結(jié)構(gòu)的幾何缺陷[12,60,81]，而產(chǎn)生磁疇壁釘扎.

磁性納米線中，存在兩種類型的磁疇壁，橫向疇壁和渦旋疇壁[73].系統(tǒng)能量最小化決定著磁疇壁的自旋結(jié)構(gòu)：在越窄越薄的納米線中，橫向磁疇壁能量更低；在比較寬和比較厚的納米線中，渦旋磁疇壁能量更低[72-75].另外，在外場或電流驅(qū)動下，磁疇壁在移動過程中的自旋結(jié)構(gòu)也會變化，磁疇壁在納米線中的運動，受釘扎點、外場以及納米線微結(jié)構(gòu)的共同影響[81-83].對于橫向磁疇壁，凹陷最窄處起吸引作用；而對于渦旋疇壁，其疇壁中心卻受到排斥的作用，并根據(jù)其磁矩的轉(zhuǎn)向停留在凹陷旁邊的位置，如圖11所示.

圖11橫向(a)及渦旋(b)磁疇壁在釘扎處的自旋結(jié)構(gòu)及能量勢壘圖

Fig.11 Schematic of spin structure and energy barrier of (a) transverse domain wall and (b) vortex domain wall at the notch

磁疇壁表現(xiàn)出類似粒子的行為，因此，對于橫向磁疇壁，釘扎點的作用是單勢阱；而對于渦旋磁疇壁，釘扎點的作用是雙勢阱.進一步研究表明，疇壁結(jié)構(gòu)和釘扎點的形狀尺寸影響著勢阱的深度和寬度.所以，研究不同釘扎點對磁疇壁的控制作用[60,81]，是研究疇壁運動的一個重要方向.

磁疇壁影響磁性材料電阻的方式非常復雜，通常采取多種機制進行解釋[84-85]，如各向異性磁電阻(AMR)或洛倫茲力磁電阻(Lorentz Force MR)，以及磁疇壁和流經(jīng)鐵磁質(zhì)的自旋極化電流的相互作用等.理論研究表明：在多數(shù)情況下疇壁對電阻的影響非常小.僅少數(shù)情況，如各向異性磁材料中疇壁的厚度達到幾個納米時，這種影響才大到可以被觀測到，且疇壁的厚度越薄這種影響會越明顯.另外，與單疇狀態(tài)相比，多疇壁的出現(xiàn)增加了電子散射，會導致磁電阻增大.

磁疇壁在外磁場或極化電流的作用下，能脫離釘扎點后在納米線中移動，其運動規(guī)律也是人們感興趣的[81].疇壁移動速度是基于磁疇壁移動器件的一個重要的參數(shù)，因此，控制Walker Breakdown[83,86]也是一個重要的研究領(lǐng)域.

除外加磁場的作用，磁疇壁對自旋極化電流具有散射作用，也會產(chǎn)生疇壁磁電阻效應(yīng).自旋極化電流可以使疇壁發(fā)生移動，利用自旋極化電流脈沖來實現(xiàn)向前或向后推動磁疇壁，改變納米結(jié)構(gòu)中的磁矩方向，或利用疇壁產(chǎn)生的高局域靜磁場來轉(zhuǎn)變鄰近元件的磁矩方向，對于自旋電子器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力.

2.3 疇壁的運動

自旋轉(zhuǎn)矩的提出使得疇壁動力學研究受到極大的關(guān)注[87-94]，用自旋極化電流代替外磁場來驅(qū)動磁疇壁運動，這一革命性的進展，再一次推動了基于磁疇壁運動的邏輯器件、信息存儲裝置的研究，因此，掌握疇壁運動行為成為目前磁學研究的重點.

André Bisig等人[83]利用相位差為90°的sin函數(shù)的脈沖電流注到水平和垂直的十字條中，產(chǎn)生磁場，磁場以納米環(huán)的中心為中心旋轉(zhuǎn)，如圖12所示.動態(tài)觀察了疇壁的運動，疇壁的移動速度只與磁場旋轉(zhuǎn)的頻率有關(guān)，而與場的大小無關(guān).同時發(fā)現(xiàn)，無論在Walker breakdown以上還是以下疇壁速度都會發(fā)生震蕩，在低于Walker breakdown時渦旋中心被推向邊緣，而后又回到中心，而在高于Walker breakdown渦旋中心被驅(qū)逐且渦旋壁轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向壁，邊緣渦旋壁形核，而其渦旋壁特性被保留，疇壁結(jié)構(gòu)的周期性變化導致速度震蕩.在高頻下，震蕩周期并不依賴于場的大小，只依賴于場的旋轉(zhuǎn)頻率，在低頻下會受釘扎位置的影響，在高頻下釘扎位置對震蕩周期沒有影響.在低于Walker breakdown下的疇壁自旋結(jié)構(gòu)的震蕩是由于力作用于渦旋疇壁，在渦旋中心有3個力作用：徑向力、幾何力和回復力，徑向力和幾何力的震蕩變化使得渦旋中心在納米環(huán)中心和邊緣交替變化.徑向力和幾何力與旋轉(zhuǎn)場的頻率有關(guān)，而能量密度的最大值和幅值也與旋轉(zhuǎn)場的頻率成正比，因此，在高頻下能量遠高于釘扎位置的能量，釘扎對疇壁移動速度幾乎沒有影響.

圖12 旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動疇壁運動[83]

June-Seo Kim等人[81]通過加入不對稱的垂直脈沖磁場可以驅(qū)動橫向疇壁運動.通常由于在垂直的磁場下Zeeman能沒有改變，不能驅(qū)動面內(nèi)磁化的磁疇壁移動.特別是用一個連續(xù)穩(wěn)態(tài)的垂直磁場不可能驅(qū)動疇壁的運動，但一個垂直脈沖磁場產(chǎn)生一個動態(tài)力可以驅(qū)動疇壁有限的瞬時移動，當磁場減小時疇壁會回到原來的位置.而通過釘扎的輔助，調(diào)節(jié)脈沖磁場的形狀，可以使疇壁從一個釘扎位置移動到另一個釘扎位置，如圖13所示.位移的大小與磁場作用的時間有關(guān)，可以通過減小阻尼項，提高飽和磁化強度，調(diào)整幾何形狀降低橫向各向異性來提高疇壁移動距離和移動速度,且通過調(diào)整脈沖的波形和釘扎位置可以精確的控制疇壁的運動.

自旋極化電流與疇壁的相互作用，產(chǎn)生了自旋角動量轉(zhuǎn)移，從而形成自旋轉(zhuǎn)移力矩推動疇壁的運動.但這種由電流引起疇壁運動的機理尚未清楚，深刻理解疇壁對自旋電子產(chǎn)生散射的規(guī)律是未來設(shè)計和制作基于疇壁運動的自旋電子器件的基礎(chǔ).Boulle 等[58]用準靜態(tài)法研究了電流誘導橫向疇壁和渦旋疇壁的運動.利用光發(fā)射電子顯微鏡術(shù)對一個頭對頭的渦旋疇壁(圖14(a))和一個橫向疇壁(圖14(c))成像，并用微磁學模擬了這兩種疇壁，施加1個脈沖電流后再次成像，渦旋疇壁(圖14(b))和1個橫向疇壁(圖14(d))都發(fā)生了移動.用這種方法可以確定零場下使疇壁運動的臨界電流密度和電流密度與疇壁的平均移動速度的關(guān)系.

Heyne等人[82]在坡莫合金納米線(寬度為1000 nm，厚度為40 nm)中用X射線磁性圓二色與光發(fā)射電子顯微鏡成像和準靜態(tài)法研究了電流誘導渦旋疇壁的運動.如圖15(a)對納米線施加5次脈沖電流，疇壁產(chǎn)生了2 μm的位移，每個脈沖電流下的位移約為400 nm，每個脈沖寬度是3 ns，疇壁的移動速度約為130 nm/s.這個速度大于寬脈寬電流的驅(qū)動速度[58]，由于短脈寬電流遲豫時間更短，產(chǎn)生的力矩大更容易使疇壁退釘，疇壁移動速度更快.研究還發(fā)現(xiàn)，疇壁的右側(cè)在電流的驅(qū)動下連續(xù)移動，而疇壁左側(cè)在施加第3個電流時沒有移動(圖15(b))，這導致雜散場的能量增加，由于總能量超過了單核渦旋壁的形核能，導致雙核渦旋壁形核，最后形成雙渦旋壁.隨后在脈沖電流的驅(qū)動下雙渦旋壁像單渦旋壁一樣繼續(xù)移動且自旋結(jié)構(gòu)不會再發(fā)生改變.

圖13垂直脈沖磁場在釘扎作用下驅(qū)動橫向疇壁運動:在不同強度的面外磁場下橫向疇壁的位移隨時間的變化(a)，有釘扎作用下的運動(b)，移動前和移動后的疇壁結(jié)構(gòu)[81]

Fig.13 Motion of transverse domain wall in a wire with a square notch by out-of-plane magnetic field pulses：transverse domain wall displacements as a function of time for various OOP field amplitudes (a); motion of a transverse domain wall in a wire with a square notch by an asymmetric OOP field pulse (b)；the initial (up) and final (down) spin configurations of the transverse domain wall motion (c)[81]

圖14脈沖電流誘導疇壁運動.渦旋疇壁(a)和橫向疇壁(b)的光發(fā)射電子顯微鏡圖像,電流注射下渦旋疇壁(b)和橫向疇壁(d)的移動[58]

Fig.14 Pulse current-induced domain wall motion: photoemission electron microscopy images and corresponding micromagnetic simulations of a vortex head-to-head domain wall (a) and a transverse wall (b); the displacements of a vortex wall (c) and a transverse wall (d) by current injection[58]

在理論方面，基于LLG方程，Zhang等人[95]和Thiaville等人[96]確定了非絕熱近似力矩表達式為

上述力矩垂直于絕熱力矩，β表征非絕熱項系數(shù)是個無量綱值，它不但影響著疇壁的橫向運動，也影響著臨界電流密度和疇壁的速度.非絕熱項力矩和系統(tǒng)的內(nèi)力作用決定著疇壁的橫向運動，即非絕熱項系數(shù)β和阻尼系數(shù)α的大小關(guān)系.在同一個系統(tǒng)下，通過調(diào)節(jié)β，可以實現(xiàn)疇壁穩(wěn)定地沿著電子移動的方向運動，而無橫向運動.

絕熱項系數(shù)β在疇壁動力學中起著重要的作用，Boulle等人[58]在理論上研究了疇壁的移動速度，從圖16的速度與u(自旋移動速度)的變化關(guān)系可以看出，速度的變化依賴于β與α關(guān)系.當β=α，速度呈線性關(guān)系，當β≠α時速度首先線性增長，當u達到一定數(shù)值后速度突然減小(β﹥α)或增加(β<α)，而后再線性增加.

Jung等人[97]利用理論和微磁模擬方法研究了窄薄的垂直磁各向異性納米線，指出驅(qū)動疇壁的退釘?shù)呐R界電流密度在釘扎強度低時不依賴于釘扎的強度而依賴于非絕熱項系數(shù)β，如圖17所示.Kim等人[98]和Lucassen等人[99]從理論上研究了熱激發(fā)對疇壁運動的影響.

圖15脈沖電流誘導疇壁運動:渦旋疇壁在一系列電流脈沖下的位移圖(a)和相應(yīng)的線掃描強度圖(b)[82]

Fig.15 Pulse current-induced domain wall motion: the displacements of vortex wall by series of current pulses (a) and intensity line scans (b)[82]

圖16一維系統(tǒng)下疇壁的平均速度在不同非絕熱項系數(shù)β下隨u的變化曲線[58]

Fig.16 Average domain wall velocity as a function ofufor differenceβcalculated using the 1D model[58]

近年來具有垂直各向異性的材料引起了大量研究.一類是表面強單軸垂直各向異性超薄膜，如(Pt/Co)n[100]，(FeCoB/Pt)[101].另一類是強面外磁晶各向異性厚膜，如SrRuO3[102].垂直各向異性材料納米帶中的疇壁寬度非常窄，且臨界電流密度比面內(nèi)磁化樣品中要低，這促進了疇壁動力學的進一步研究.由于自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)，利用自旋極化脈沖電流向前或向后推動磁疇壁，改變納米結(jié)構(gòu)中的磁矩方向，或利用疇壁產(chǎn)生的高局域靜磁場來轉(zhuǎn)變鄰近元件的磁矩方向，這在自旋電子器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力.自旋轉(zhuǎn)矩驅(qū)動磁疇壁運動是一種新的電驅(qū)動-電測量的方法，引起了人們廣泛的研究興趣，有力推動了基于磁疇壁運動的邏輯元件、信息存儲裝置及其他自旋電子學器件的研發(fā)進程.

圖17 臨界電流密度與釘扎強度的關(guān)系[97]

Fig.17 Relationship between critical current density and pinning strength[97]

由于電流調(diào)控磁疇的高電流密度問題尚未解決，為了減少能耗通過電場調(diào)控疇壁引起了廣泛關(guān)注[103-108].Na Lei等人[103]研究了壓電/鐵磁結(jié)構(gòu)，以PZT為壓電層，PZT層上是一個自旋閥，自旋閥的自由層選取了CoFeB和坡莫合金/CoFeB兩種不同體系，發(fā)現(xiàn)施加不同的電壓，矯頑場發(fā)生了變化，施加的電壓越大矯頑場也越大，而磁場的反轉(zhuǎn)通過磁疇的運動實現(xiàn)，這種作用類似于門，根據(jù)這種效應(yīng)提出了通過電壓調(diào)控的磁疇壁邏輯器件和磁疇壁存儲器，如圖18所示.

Lahtinen等人[104]研究了鐵電/鐵磁異質(zhì)結(jié)，在鐵電BaTiO3上生長一層CoFe，CoFe的磁疇能很好地復制BaTiO3的鐵電疇圖案.而施加外電場時鐵電疇發(fā)生了變化，引起磁疇發(fā)生變化，如果鐵電疇變?yōu)閏型疇，使得易磁化軸旋轉(zhuǎn)了90°，則其上面的a1磁疇變?yōu)閍2磁疇，而上面的a2磁疇變?yōu)閍1磁疇，而在a1型鐵電疇上，原始的a2磁疇產(chǎn)生新的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力使得易磁化軸旋轉(zhuǎn)了90°，因此，a2磁疇變?yōu)閍1型磁疇，而原始的a1型磁疇沒有發(fā)生改變，故在施加電壓后在a1型鐵電疇上磁疇都變?yōu)閍1型磁疇.從而可以利用電場實現(xiàn)疇的寫入與擦除和疇壁運動的控制，如圖19所示.但磁性層的材料選擇非常重要，由于利用應(yīng)力作為媒介，因此，要求局域的磁致彈性能與其他能量有可比性，這是實現(xiàn)電場調(diào)控鐵磁微觀結(jié)構(gòu)的前提.

Fig.18電場調(diào)控疇壁的邏輯器件和存儲器件:電控疇壁的或非門邏輯器件設(shè)想(a)和電控疇壁的賽道存儲器設(shè)想(b)[103]

Fig.18 Proposal of electric field control of domain wall logic and domain wall memory: design of a multi-input NOR logic function by using voltage control of elementary DW gates (a) and design of a racetrack memory using voltage control of a DW gate (b)[103]

圖19磁疇在電場作用下的寫入與擦除和疇壁運動:鐵電和鐵磁疇的初始微觀結(jié)構(gòu)(a,b)和施加面外電場后的結(jié)構(gòu)(c,d)[104]

Fig.19 Electrically control the writing and erasure the domain patterns and the motion of magnetic domain walls: ferroelectric (FE) and ferromagnetic (FM) microstructure after CoFe film growth on BaTiO3(a,c) and the application of an out-of-plane electric field of 10 kV/cm (b,d)[104]

熱對疇壁的影響也引起了人們的廣泛關(guān)注[109-111].Jonathan Chico等人[112]從理論方面研究了W(110)/Fe中熱梯度驅(qū)動疇壁運動，指出熱梯度趨使疇壁移動到熱的一端，由于W(110)/Fe的各向異性很大，導致疇壁移動速度很慢.疇壁的移動速度與溫度梯度成正比，如圖20所示，研究發(fā)現(xiàn)各向異性越小疇壁的移動速度越大.

圖20 不同溫度梯度下的疇壁移動速度[112]

2.4 全金屬自旋邏輯結(jié)構(gòu)

自旋電子器件不僅在信息存儲方面占有優(yōu)勢，在邏輯信號處理方面也一直具有獨特優(yōu)點.自旋電子邏輯器件分為磁性半導體自旋邏輯器件與磁性金屬自旋邏輯器件.但半導體中的載流子濃度比較低，電流密度低，工作溫度低，且需要利用磁光Kerr顯微鏡或磁力顯微鏡作為探測工具，這限制了其進一步的研究和應(yīng)用.單磁疇量子點系統(tǒng)存儲存在兩個主要問題：一是相鄰量子點之間的靜磁場通常比量子點內(nèi)部的退磁場強度小，這會造成量子點內(nèi)部的磁矩混亂，無法保證邏輯信號的準確性； 二是在陣列中一旦出現(xiàn)缺陷，造成信息無法繼續(xù)向前傳遞，使系統(tǒng)功能失效.

全金屬邏輯信息處理器件開拓了自旋電子學應(yīng)用方向發(fā)展的新思路，具有非常好的前景.首先，金屬的電阻比半導體小許多，電路本身的能量損耗大幅度降低，有利于電信號的傳輸，且集成度很高；其次，磁性金屬器件大部分都可以在室溫工作，有更廣泛的應(yīng)用前景[113].如圖21所示，在坡莫合金納米線中，利用微納米加工技術(shù)將坡莫合金薄膜圖案化，形成納米線、納米線扇及納米線交叉結(jié)構(gòu)[14].由于形狀各向異性引起的磁化方向沿著納米線的軸向方向，磁化方向的兩個方向就可以代表信息存儲中0和1.這些結(jié)構(gòu)可以構(gòu)造出復雜的邏輯器件，如與、非，甚至更為復雜的與非、或非等邏輯電路.在CMOS里，邏輯電路與非門需要用到4個晶體管，而磁疇壁邏輯門只需用非和與兩種納米線結(jié)構(gòu)完成，這些功能的完成都是基于360°旋轉(zhuǎn)磁場來改變磁矩，推動疇壁的運動.但這種結(jié)構(gòu)用磁場作為驅(qū)動信號，因此，與實際應(yīng)用尚有距離.

圖21CMOS邏輯器件與全金屬磁疇壁邏輯器件的功能類比[14]

Fig.21 Comparison of the logic devices of CMOS with all metal magnetic domain wall

此外，利用自旋極化電流誘導磁化翻轉(zhuǎn)效應(yīng)也是一個發(fā)展方向，既無外加磁場下實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn).一方面減少磁滯回線引起的能量損失，另一方面可以避免磁場對于信號的額外影響，增強信息的可靠性.這對自旋電子學在信息存儲方面的發(fā)展具有重要意義.

3 結(jié)論與展望

以磁電阻效應(yīng)(如GMR, TMR)為基礎(chǔ)的自旋電子學在過去20年已取得了很大的進展，然而磁疇壁的運動規(guī)律和有效調(diào)控，仍是一個嶄新的待開拓領(lǐng)域，在未來自旋電子學器件中有望占有重要的一席.自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為利用電子自旋與局域磁矩的相互作用實現(xiàn)對磁化狀態(tài)的調(diào)控提供了可能性，并有可能解決在高密度存儲中高能耗和散熱問題.但利用自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)控制疇壁的運動需要高的電流密度，這又提高了能耗，如何尋找更好的材料和結(jié)構(gòu)來降低電流密度是STT效應(yīng)應(yīng)用的關(guān)鍵.

通過調(diào)控磁疇壁來實現(xiàn)信息存儲和邏輯電路，為信息讀寫和邏輯控制提供新途徑，有可能開發(fā)出全新概念的下一代信息功能器件，如賽道存儲器，磁疇量子點陣列邏輯器件等，在信息存儲領(lǐng)域具有很好的前景價值.隨著實驗技術(shù)和理論分析的進步與突破，特別是在微加工與探測技術(shù)的協(xié)助下，未來將會出現(xiàn)更多新型的磁疇壁器件，促進信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的革新，為傳統(tǒng)的半導體硅信息工業(yè)提供新的思路和機遇.

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