吳闖文，崔寶山，朱增泰，張廣宇， 于國強(qiáng)，梁世恒，王 浩

(1．湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062) (2．松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞 523808) (3．中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190)

1 前 言

自旋電子學(xué)作為一門新興的學(xué)科，將電子電荷與自旋兩種屬性緊密地聯(lián)系在了一起，其相關(guān)應(yīng)用更是備受關(guān)注，如磁讀頭、磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(magnetic random access memory，MRAM)、自旋納米振蕩器和自旋邏輯器件等。20世紀(jì)末，巨磁電阻(giant magnetoresistance，GMR)效應(yīng)和隧穿磁電阻(tunneling magnetoresistance，TMR)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)了人們對(duì)自旋電子學(xué)領(lǐng)域重要性的認(rèn)同，促進(jìn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的大力發(fā)展[1-3]。1996年，自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque，STT)效應(yīng)被首次提出，并在不久之后于巨磁電阻器件中得到驗(yàn)證，證明了自旋極化電流可將角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到局域磁矩上，從而實(shí)現(xiàn)磁矩有效磁化翻轉(zhuǎn)[4, 5]。此后，基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)應(yīng)運(yùn)而生[6]。在此期間，形成了以磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器為核心結(jié)構(gòu)的、具有面內(nèi)磁各向異性(in-plane magnetic anisotropy，IMA)的磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junctions，MTJs)。為了進(jìn)一步提高器件的存儲(chǔ)密度，科學(xué)家們又開發(fā)了以具有垂直磁各向異性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)的磁隧道結(jié)為核心的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，即p-STT-MRAM[7-9]，如圖1a所示。然而，p-STT-MRAM在數(shù)據(jù)的讀寫過程中共用了同一路徑，嚴(yán)重影響了p-STT-MRAM的使用壽命。此外，由于電流與自旋極化電流的轉(zhuǎn)化效率較低，導(dǎo)致磁矩翻轉(zhuǎn)所需的電流密度較大，從而使基于p-STT-MRAM的器件的功耗較高[10]。為了解決上述問題，科學(xué)家們又提出了基于自旋軌道矩(spin-orbit torque，SOT)的SOT-MRAM，如圖1b所示[11]。SOT-MRAM的寫入端是一層具有強(qiáng)自旋軌道耦合(spin-orbit coupling，SOC)的重金屬層，其較強(qiáng)的自旋軌道耦合作用可以將電流轉(zhuǎn)換為自旋流并注入到磁隧道結(jié)的自由層，自旋流與磁矩相互作用發(fā)生角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并以力矩的形式表現(xiàn)出來，該力矩被稱為SOT[12-14]。當(dāng)SOT足夠強(qiáng)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)磁矩的180°翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信息的寫入。相比于STT-MRAM的兩端式讀寫結(jié)構(gòu)，SOT-MRAM采用的是三端式讀寫結(jié)構(gòu)，其寫入路徑和讀取路徑相互獨(dú)立，大大提高了器件的穩(wěn)定性[15]。此外，還可以分別對(duì)寫入路徑和讀取路徑進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)體積更小、速度更快、密度更高、功耗更低、穩(wěn)定性更高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[14-16]。

圖1 基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)(a)和自旋軌道矩效應(yīng)(b)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器器件示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of magnetic random access memory based on spin transfer torque effect (a) and spin-orbit torque effect (b)[11]

2 自旋軌道矩的產(chǎn)生原理

提到SOT，就不得不提與其相關(guān)的兩種物理機(jī)制，即自旋霍爾效應(yīng)(spin Hall effect，SHE)和界面Rashba-Edelstein效應(yīng)[17, 18]。這2個(gè)效應(yīng)是在具有強(qiáng)自旋軌道耦合材料或材料界面產(chǎn)生自旋積累，然后自旋流擴(kuò)散到鐵磁材料(ferromagnetic material,FM)層中將自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到鐵磁材料的磁矩上，并對(duì)磁矩施加一個(gè)自旋力矩的作用。

2.1 自旋霍爾效應(yīng)

SHE是基于自旋軌道耦合效應(yīng)產(chǎn)生的一個(gè)體效應(yīng)，可描述為非極化的電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流的過程，表示為：

Js=θSH(σ×Jc)

(1.1)

其中，Js表示自旋流，Jc表示電荷流，σ表示電子自旋的極化方向，θSH表示自旋霍爾角(spin Hall angle, SHA)的大小[19, 20]。通常θSH=Js/Jc，該參數(shù)代表了自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的材料中通入沿x軸正方向的電流時(shí)，由于強(qiáng)自旋軌道耦合作用，對(duì)于θSH>0的材料，σ在y軸正方向的電子會(huì)沿著z軸正方向移動(dòng)；而對(duì)于θSH<0的材料，σ在y軸負(fù)方向的電子會(huì)沿著z軸正方向移動(dòng)，均形成自旋極化的電流Js，如圖2a所示。

圖2 自旋霍爾效應(yīng)(a)和界面Rashba-Edelstein效應(yīng)(b)示意圖Fig.2 Schematic diagram of spin Hall effect (a) and interfacial Rashba-Edelstein effect (b)

2.2 Rashba-Edelstein效應(yīng)

實(shí)現(xiàn)電流-自旋流轉(zhuǎn)換的另一個(gè)物理機(jī)制是Rashba-Edelstein效應(yīng)。與SHE不同的是，Rashba-Edelstein效應(yīng)是界面電流誘導(dǎo)的自旋積累的過程，該效應(yīng)來自于界面結(jié)構(gòu)的反演對(duì)稱性破缺。如圖2b所示，在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的非磁性材料(nonmagnetic material，NM)層和磁性材料層的界面處產(chǎn)生一個(gè)垂直于薄膜表面的內(nèi)部電場(E)，具有動(dòng)量(P)的傳導(dǎo)電子在電場的作用下會(huì)向著界面移動(dòng)，并與E×P方向的有效磁場相互作用，最終在界面處使電子極化并且產(chǎn)生自旋積累。在自旋極化和電子動(dòng)量之間存在一個(gè)固定的關(guān)系，被稱為自旋-動(dòng)量鎖定。最早的Rashba-Edelstein效應(yīng)是在反演對(duì)稱性破缺的半導(dǎo)體和二維電子氣中提出來的，隨后逐漸擴(kuò)展到NM/FM異質(zhì)結(jié)中。在具有Rashba耦合的磁性異質(zhì)結(jié)中，Rashba效應(yīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的自旋電流也可以用于磁化翻轉(zhuǎn)。

3 自旋軌道矩驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)和定量分析

基于SOT的磁矩翻轉(zhuǎn)在超低功耗存儲(chǔ)器和邏輯器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。通過SHE可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的SOT，從而有效地翻轉(zhuǎn)垂直磁矩，與基于傳統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)移矩的磁矩翻轉(zhuǎn)相比，基于SOT的磁矩翻轉(zhuǎn)可以提高內(nèi)存和邏輯器件的可靠性，并且SOT也可用于重金屬/鐵磁體雙層膜中磁疇壁的動(dòng)力學(xué)調(diào)控。

3.1 自旋軌道矩驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)

2011年，Miron等[12]首次在具有垂直磁各向異性的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)Pt/Co/AlOx中發(fā)現(xiàn)了電流驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)，并觀察到由此導(dǎo)致的疇壁移動(dòng)效應(yīng)。2012年，Liu等[13]在研究垂直磁各向異性的Ta/CoFeB/MgO多層膜時(shí)(圖3a)，利用面內(nèi)磁場的輔助實(shí)現(xiàn)了SOT誘導(dǎo)的磁矩翻轉(zhuǎn)(圖3b)。這是因?yàn)殡娏魍ㄟ^具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合的重金屬Ta層時(shí)，SHE將電荷流轉(zhuǎn)換為自旋流并注入到毗鄰的鐵磁層中，并發(fā)生角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，從而驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)。另外，如圖3c所示，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)相關(guān)的三端式磁隧道結(jié)器件，實(shí)現(xiàn)了磁電阻的讀取(圖3d)。這一發(fā)現(xiàn)不僅促進(jìn)了新一代磁隧道結(jié)器件的發(fā)展，也大大激起了科研工作者研究SHE及其誘導(dǎo)的垂直磁化翻轉(zhuǎn)的興趣。

圖3 Ta/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)的反?；魻柷€(a)，在不同面內(nèi)場輔助下的電流驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)(b)；三端式基于自旋軌道矩的磁隧道結(jié)器件的原理圖與測試電路(c)，三端式磁隧道結(jié)器件的隧穿磁電阻效應(yīng)隨電流的變化關(guān)系(d)[13]Fig.3 The anomalous Hall loop of Ta/CoFeB/MgO heterostructure (a), external in-plane magnetic fields assisted current-driven magnetization switching (b); schematic of three-terminal magnetic tunnel junctions device and its measurement configuration (c), the relationship between the tunneling magnetoresistance effect of the three-terminal magnetic tunnel junctions device and the direct current (d)[13]

3.2 自旋軌道矩定量分析

2013年，Garello等[21]分析了AlOx/Co/Pt異質(zhì)結(jié)中的自旋軌道耦合的方向與各分量的大小。如圖4所示，在具有強(qiáng)自旋軌道耦合作用的重金屬Pt中通入面內(nèi)電流時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生與電流方向平行和垂直的自旋積累：δm∥≈(z×j)×m和δm⊥≈(z×j)，其中j和m分別表示電流密度和磁化強(qiáng)度矢量。由于s電子和d電子的交換作用，兩個(gè)方向的自旋積累會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)有效場：類阻尼(damping-like)有效場(B∥≈δm∥，如圖4所示的藍(lán)色箭頭)和類場(field-like)有效場(B⊥≈δm⊥，如圖4所示的紅色箭頭)；或者可以表示成相應(yīng)的SOT分量：類場力矩(field-like torque，T∥≈m×δm∥，如圖4所示的藍(lán)色箭頭)和類阻尼力矩(damping-like torque，T⊥≈m×δm⊥，如圖4所示的紅色箭頭)。當(dāng)鐵磁層的磁矩方向沿不同方向時(shí)，SOT的分量可按上述方法判斷。

4 零場自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)

SOT驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)通常需要在平行于電流的方向上施加一個(gè)面內(nèi)輔助磁場來打破垂直體系的對(duì)稱性。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，這不僅增加了額外的功耗，還使得設(shè)計(jì)電路更加復(fù)雜，顯然不利于SOT的實(shí)際應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)零場下SOT驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)顯得至關(guān)重要。

4.1 結(jié)構(gòu)對(duì)稱性破缺

圖4 在電流的作用下，AlOx/Co/Pt中不同方向的磁矩對(duì)應(yīng)的自旋軌道矩[21]Fig.4 Current-induced spin-orbit torques with the magnetic moments in different directions in the AlOx/Co/Pt[21]

圖5 Ta/CoFeB/TaOx(楔形)的結(jié)構(gòu)示意圖(a)和Ta/CoFeB/TaOx(楔形)霍爾耙器件示意圖(b)；在零場下，電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻回線：氧化前Ta的厚度為1.67 nm(c)和1.94 nm(d)[22]；具有磁各向異性的楔形CoFeB納米結(jié)構(gòu)(e)；由于楔形結(jié)構(gòu)，CoFeB層的易軸方向相對(duì)于z軸略微傾斜(f)[23]Fig.5 Schematic diagram of Ta/CoFeB/TaOx (wedge) structure (a) and Ta/CoFeB/TaOx (wedge) Hall bar device (b); field-free SOT switching loops of perpendicular magnetization: the thickness of Ta before oxidation is 1.67 nm (c) and 1.94 nm (d)[22]; the patterned wedge-shaped CoFeB nanomagnet structure magnetic anisotropy (e); due to the wedge-shaped structure, the directions of the easy axis of the CoFeB layer are slightly inclined with respect to the z-axis(f)[23]

二維材料由于具有強(qiáng)自旋軌道耦合和電導(dǎo)率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了科研工作者們的廣泛關(guān)注。2016年，MacNeill等[26]采用自旋力矩鐵磁共振(spin-torque ferromagneti resonance, ST-FMR)技術(shù)研究了WTe2/Py異質(zhì)結(jié)中的SOT，不僅發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的SOT的field-like力矩和damping-like力矩，還發(fā)現(xiàn)了非傳統(tǒng)面外的SOT。由于傳統(tǒng)的SOT的field-like力矩和damping-like力矩都位于面內(nèi)，因此傳統(tǒng)的SOT只能將磁矩翻轉(zhuǎn)到面內(nèi)方向。而非傳統(tǒng)的面外的SOT能夠在無外加輔助場下翻轉(zhuǎn)垂直方向的磁矩。因此，非傳統(tǒng)面外SOT的發(fā)現(xiàn)提供了一種有效操縱垂直磁各向異性磁器件的新策略。Liang等[27]在MoTe2/Py異質(zhì)結(jié)中沒有發(fā)現(xiàn)非傳統(tǒng)的面外的SOT，揭示了面外SOT起源的復(fù)雜性，但是他們發(fā)現(xiàn)Py層的磁化方向與MoTe2的自旋極化方向相同，因此得出結(jié)論，該結(jié)構(gòu)能夠在室溫、沒有外部磁場下進(jìn)行SOT驅(qū)動(dòng)Py層的磁矩翻轉(zhuǎn)。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該體系的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度比傳統(tǒng)SOT誘導(dǎo)的低一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且該體系的SOT的效率約為0.35，比傳統(tǒng)重金屬體系Pt和Ta的都要大很多。這些發(fā)現(xiàn)為二維材料應(yīng)用于SOT誘導(dǎo)磁矩翻轉(zhuǎn)提供了廣闊的前景。

4.2 交換偏置場和層間耦合作用

2014年，Chen等[28]通過第一性原理計(jì)算的方法在具有非共線結(jié)構(gòu)的反鐵磁Mn3Ir中發(fā)現(xiàn)了較大的反?；魻栯妼?dǎo)，這意味著Mn3Ir具有一定的自旋軌道耦合。隨后，Zhang等[29]首次在實(shí)驗(yàn)中測量了具有反鐵磁性的FeMn、IrMn和PtMn的自旋霍爾角。而對(duì)于反鐵磁材料來說，它能夠?qū)ζ湎噜彽拇判詫赢a(chǎn)生交換偏置效應(yīng)，這相當(dāng)于在體系中引入了一個(gè)有效磁場，而通過適當(dāng)?shù)拇艌鐾嘶鹛幚?，可以使反鐵磁的交換偏置場產(chǎn)生特定取向，因此可以用來代替外加輔助場打破樣品的對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)零場下SOT驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)。Brink等[30]設(shè)計(jì)了一個(gè)具有垂直磁各向異性的鐵磁層與反鐵磁材料的雙層膜結(jié)構(gòu)，通過反鐵磁層引入的交換偏置場來代替面內(nèi)輔助場，使該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了零場下基于SOT的磁矩翻轉(zhuǎn)。如圖6a和6b所示，他們采用具有垂直磁各向異性的Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx材料的材料體系，利用磁場退火的方法，使反鐵磁IrMn中的交換偏置場沿著面內(nèi)方向，該實(shí)驗(yàn)證明了單純利用電流引起的SOT來驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的可行性。與此同時(shí)，Oh等[31]在IrMn/CoFeB結(jié)構(gòu)中證明了反鐵磁層IrMn不僅能夠提供平面內(nèi)交換偏置，使鐵磁層CoFeB的垂直磁矩有面內(nèi)的分量，而且還能產(chǎn)生自旋流，對(duì)鐵磁層CoFeB的磁矩施加力矩的作用，實(shí)現(xiàn)無輔助場下的垂直磁矩翻轉(zhuǎn)(圖6c)。在PtMn/[Co/Ni]n雙層體系中，F(xiàn)ukami等[32]發(fā)現(xiàn)反鐵磁層PtMn不僅能夠提供交換偏置場，還表現(xiàn)出與重金屬Pt和Ta相近的自旋霍爾角。在這兩種效應(yīng)的共同作用下，使得該雙層膜體系可在零場下SOT驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)。Chen等[33]設(shè)計(jì)了CoFeB/Gd/CoFeB的異質(zhì)結(jié)，通過CoFeB層與Gd層的反鐵磁耦合，得到了飽和磁化強(qiáng)度(Ms=(370±20) emu/cc)較小的體系，并且在使用反鐵磁材料PtMn作為自旋源層時(shí)，該體系在無外磁場輔助的作用下能實(shí)現(xiàn)SOT驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)，其臨界翻轉(zhuǎn)電流密度為9.6×106A/cm2。最近，Chen等[34]證明了共線反鐵磁Mn2Au能夠產(chǎn)生反鐵磁自旋霍爾效應(yīng)(antiferromagnetism spin Hall effect，AFM-SHE)，得到了非傳統(tǒng)的面外的自旋極化。平面外的自旋極化很大程度上取決于Mn2Au的自旋構(gòu)型，因而通過調(diào)控共線反鐵磁Mn2Au的自旋構(gòu)型，即可實(shí)現(xiàn)零場下SOT驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)。

除了通過反鐵磁材料和鐵磁材料之間的直接接觸引入交換偏置場外，還可以利用兩個(gè)鐵磁層之間的層間耦合來引入交換偏置場。用間隔層，例如Ru和Ta，分離具有垂直磁矩的鐵磁層和面內(nèi)磁矩的鐵磁層，層間交換耦合效應(yīng)可以為垂直磁化層提供面內(nèi)層間耦合場，從而實(shí)現(xiàn)零場下SOT驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn)[35]。2016年，Lau等[36]提出一個(gè)如圖6d所示的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有兩層鐵磁CoFe層，其中頂層CoFe層具有面內(nèi)磁各向異性，底層CoFe層具有垂直磁各向異性。具有垂直磁各向異性的CoFe層與通過SHE提供自旋電流的底層Pt層相鄰，而具有面內(nèi)磁各向異性的CoFe層中的磁矩被IrMn層提供的交換偏置場固定在面內(nèi)方向。兩CoFe層之間的Ru層促進(jìn)了層間耦合作用，且具有面內(nèi)磁各向異性的CoFe層通過Ru層在具有垂直磁各向異性的CoFe層上施加面內(nèi)的有效場，從而使該層具有零場下SOT驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)的能力。隨后，2019年，Kong等[37]設(shè)計(jì)了一種新型T型結(jié)構(gòu)的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的異質(zhì)結(jié)，具有面內(nèi)磁各向異性的CoFeB和具有垂直磁各向異性的CoFeB通過Ta耦合在一起，具有面內(nèi)磁各向異性的CoFeB通過Ta層的層間耦合作用于具有垂直磁各向異性的CoFeB層，使其易軸方向偏離垂直方向，從而實(shí)現(xiàn)零場翻轉(zhuǎn)。Ma等[38]在具有T型結(jié)構(gòu)的磁性3層膜異質(zhì)結(jié)中，發(fā)現(xiàn)面內(nèi)磁各向異性的鐵磁層可以通過SOT對(duì)具有垂直磁各向異性的鐵磁層產(chǎn)生z軸方向的有效場，且該有效場的方向與面內(nèi)磁各向異性的鐵磁層的磁矩方向相關(guān)，因此得到該體系零場翻轉(zhuǎn)的極性與面內(nèi)磁各向異性的鐵磁層的磁矩相關(guān)，根據(jù)不同的面內(nèi)場的退場方向，可以得到不同的零場翻轉(zhuǎn)極性。2021年，Xie等[39]通過在垂直方向上設(shè)置PtCo的成分梯度(圖7)，使具有垂直磁各向異性的磁性層PtCo在垂直方向上具有梯度Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)SOT驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)；隨后通過IrMn/Co/Ru提供交換偏置場和反鐵磁耦合，實(shí)現(xiàn)該體系在零場下的SOT驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)。2021年，Chen等[40]設(shè)計(jì)了完全補(bǔ)償?shù)娜斯ず铣煞磋F磁(synthetic antiferromagnetism，SAF)的楔形結(jié)構(gòu)，當(dāng)磁疇壁的能量項(xiàng)與DM界面的相互作用的能量項(xiàng)接近時(shí)，疇壁會(huì)出現(xiàn)Bloch型和Néel型兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于Néel型疇壁(↑→↓)，當(dāng)通入橫向電流時(shí)，疇壁會(huì)向左或者向右運(yùn)動(dòng)；而對(duì)于Bloch型疇壁(↑⊙↓)，當(dāng)通入橫向電流時(shí)，疇壁不會(huì)向左或者向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而被向左或者向右運(yùn)動(dòng)的Néel型疇壁所吞噬，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域疇壁的翻轉(zhuǎn)，達(dá)到零場翻轉(zhuǎn)。Wei等[41]在具有垂直磁各向異性的人工合成反鐵磁(PMA-SAF)和面內(nèi)磁各向異性的人工合成反鐵磁(IMA-SAF)的多層膜中，實(shí)現(xiàn)了零場的SOT驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)。這項(xiàng)工作促進(jìn)了SOT的零場翻轉(zhuǎn)，并為SOT-MRAM或自旋邏輯器件的應(yīng)用鋪平了道路。

圖6 Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx材料結(jié)構(gòu)示意圖(a)，Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx材料構(gòu)成器件的霍爾器件示意圖(b)[30]；IrMn/CoFeB結(jié)構(gòu)示意圖和反鐵磁層IrMn中自旋霍爾效應(yīng)的原理圖(c)[31]；T型結(jié)構(gòu)：底層CoFe層磁矩在垂直方向，而頂層CoFe層磁矩在平面內(nèi)，通過Ru層的層間交換耦合提供有效場，而較厚的Pt層為垂直CoFe層提供自旋電流(d)[36]Fig.6 Schematic diagram of Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx structure (a) and correlated Hall device (b)[30]; schematic diagram of the IrMn/CoFeB structure and the principle diagram of the spin Hall effect produced by the antiferromagnetic layer IrMn (c)[31]; T-type structure: the bottom CoFe layer has perpendicular magnetic anisotropy, while the top CoFe layer has in-plane magnetic anisotropy, the effective field is provided by the exchange coupling between the Ru layers, while the thicker Pt layer provides spin current to the perpendicular CoFe layer (d)[36]

圖7 Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO異質(zhì)結(jié)的元素映射圖(a)；Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO異質(zhì)結(jié)的高角環(huán)形暗場像，插圖顯示了圖7a中用白色箭頭標(biāo)記的X射線能譜結(jié)果的線掃描(b)[39]Fig.7 Element mapping of Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO heterostructure (a); the high angel annular dark-field imaging of the Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO heterostructure, inset shows a line scanning of the energy dispersive spectroscopy results marked with white arrow inFig.7a (b)[39]

4.3 電場調(diào)控打破面內(nèi)對(duì)稱性

2017年，Cai等[42]在鐵電襯底PMN-PT上生長了重金屬層和鐵磁層，如圖8所示。通過在PMN-PT襯底上通入電壓，產(chǎn)生的電勢Ep在x方向上存在梯度，在不同的電勢Ep下，重金屬與磁性層界面的自旋積累的自旋流密度不一樣大，因此鐵磁層在x方向上存在一個(gè)面內(nèi)磁各向異性的梯度，打破了該體系對(duì)稱性，從而實(shí)現(xiàn)了零場下的SOT驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)。

圖8 電學(xué)測量裝置示意圖(a)；重金屬Pt產(chǎn)生自旋流示意圖(b)；在PMN-PT上施加電壓，重金屬Pt上產(chǎn)生的電勢Ep>0(c)和Ep<0(e)；由于垂直電場的自旋軌道耦合，在Pt/PMN-PT界面上的自旋分布(d)；當(dāng)Ep>0(f)和Ep<0(g)，由于自旋霍爾效應(yīng)、自旋軌道耦合以及兩者的疊加導(dǎo)致的CoNiCo磁體的自旋軌道矩[42]Fig.8 Schematic diagram of the electrical measurement setup (a); schematic diagram of the spin current produced by heavy metal Pt (b); voltage applied to PMN-PT, the potential Ep>0 (c) and Ep<0 (e) on heavy metal Pt; the spin distribution of Pt/PMN-Pt interface due to spin-orbit coupling under vertical electric field (d); Ep>0 (f) and Ep<0 (g), the spin-orbit torque of the CoNiCo magnet due to the spin Hall effect, the spin-orbit coupling and superposition[42]

4.4 插入層在零場翻轉(zhuǎn)中的作用

2018年，Ma等[43]設(shè)計(jì)了由兩種自旋霍爾角符號(hào)相反的重金屬作為自旋源層的多層膜Pt/W/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)，如圖9a所示，該結(jié)構(gòu)的兩層重金屬層Pt和W能夠提供極化方向相反的自旋流。這樣的結(jié)構(gòu)并沒有因?yàn)閮煞N符號(hào)相反的自旋霍爾角而抵消自旋電流和相關(guān)的SOT，而是產(chǎn)生一個(gè)正比于電流密度的有效場，該有效場的方向是垂直于膜面的，這會(huì)導(dǎo)致up-down和down-up的磁疇壁沿著電流方向不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，從而能夠在足夠大的電流密度下實(shí)現(xiàn)無任何輔助場的垂直磁矩翻轉(zhuǎn)(圖9b和9c)。如圖9d所示，磁光克爾顯微鏡磁疇成像技術(shù)揭示了電流作用下的up-down和down-up的磁疇壁不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。隨后，他們?cè)赑t/W/CoFeB/MgO和Pt/Ta/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)中觀察到零場下的SOT驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)，但是在Ta/W/CoFeB/MgO中并不能觀察到零場翻轉(zhuǎn)，說明了在該體系中通入電流時(shí)，只有產(chǎn)生一個(gè)正比于電流密度且垂直膜面的有效場，才能實(shí)現(xiàn)零場翻轉(zhuǎn)。接著，他們?cè)谀軌驅(qū)崿F(xiàn)零場翻轉(zhuǎn)的Pt/W/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)的Pt/W之間插入一層很薄的Au，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在電流作用下的SOT驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)需要外加輔助場。隨后，他們?cè)赑t/W/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)消除電流產(chǎn)生的奧斯特場影響下，依舊能夠得到該體系的零場翻轉(zhuǎn)。該結(jié)果能夠很好地證明兩種自旋霍爾角符號(hào)相反的重金屬層作為自旋源的體系可以產(chǎn)生一個(gè)垂直于膜面的有效場，當(dāng)電流通過時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)零場翻轉(zhuǎn)。

圖9 Pt/W/CoFeB/MgO結(jié)構(gòu)中，重金屬層Pt和W產(chǎn)生自旋競爭積累過程(a)；在±7 mA下測得的反?；魻柣鼐€(b)；無外加磁場下，電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)(c)；零場下電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的磁光克爾顯微鏡照片(d)[43]Fig.9 Schematic of spin competition and accumulation processes between Pt and W in the Pt/W/CoFeB/MgO structure (a); anomalous Hall loops measured at ±7 mA (b); field-free magnetization switching loop (c); magnetic-optical Kerr microscope images of the field-free switching (d)[43]

4.5 傾斜的易軸方向

2019年，Liu等[44]在SrTiO3(STO)襯底上生長了SrIrO3/SrRuO3雙分子層，如圖10a所示，通過控制鐵磁層的易軸方向沿著面外方向傾斜(圖10b)，實(shí)現(xiàn)了零場翻轉(zhuǎn)。隨后在2020年，Cao等[45]在Pt/Co/Pt異質(zhì)結(jié)中，對(duì)其局部進(jìn)行激光輻照處理，輻照區(qū)域的鐵磁層Co會(huì)向Pt/Co/Pt異質(zhì)結(jié)的表面擴(kuò)散，因此在Pt/Co/Pt異質(zhì)結(jié)的表面形成Pt的濃度梯度，使鐵磁層Co在輻照區(qū)域與未輻照區(qū)域產(chǎn)生垂直磁各向異性的梯度，打破了平面內(nèi)的對(duì)稱性。當(dāng)通過電流時(shí)，會(huì)在其垂直于膜面的方向產(chǎn)生一個(gè)垂直方向的有效磁場，實(shí)現(xiàn)了零磁場下的垂直磁矩翻轉(zhuǎn)。

4.6 亞鐵磁材料中的零場翻轉(zhuǎn)

2021年，Zheng等[46]通過在Al上生長一些具有成分梯度的亞鐵磁CoxTb1-x結(jié)構(gòu)，使該鐵磁層在垂直方向存在梯度的各向異性與飽和磁矩強(qiáng)度，從而打破其對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)零場的SOT驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)。2021年，Wu等[47]在亞鐵磁GdFeCo結(jié)構(gòu)中，通過將其磁性層在垂直膜面的z方向以及面內(nèi)的y方向上產(chǎn)生梯度的各向異性和飽和磁化強(qiáng)度，從而打破其對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)零場翻轉(zhuǎn)(圖11)。

圖10 SrIrO3/SrRuO3雙分子層中電流誘導(dǎo)磁矩翻轉(zhuǎn)的設(shè)置示意圖，其中EA表示該體系的易軸方向(a)；兩種SOT翻轉(zhuǎn)行為的示意圖，上圖中，在沒有任何外部磁場的情況下，易軸(θEA≠0)偏離z方向，下圖中，施加一個(gè)y方向的輔助場來切換x方向的傾斜磁化(b)[44]Fig.10 Schematic diagram of the setup of the current-induced magnetization switching in the SrIrO3/SrRuO3 bilayer, in which the EA represents the easy axis direction of the system (a); schematic diagram of two SOT switching behaviors, in the above figure, in the absence of an external magnetic field, the easy axis(θEA≠0) deviates from the z direction, in the below figure, an auxiliary field in the y direction is applied to switch the tilt magnetization in the x direction (b)[44]

圖11 亞鐵磁GdFeCo在面內(nèi)的y方向上存在梯度的飽和磁化強(qiáng)度(a)和各向異性(b)，亞鐵磁GdFeCo在垂直于膜面的z方向上存在梯度的飽和磁化強(qiáng)度(c)和各向異性(d)[47]Fig.11 The magnetization gradient (a) and anisotropy gradient (b) in the y direction of the ferrimagnetic GdFeCo， the saturation magnetization of gradient (c) and anisotropy gradient (d) in the z direction of the ferrimagnetic GdFeCo[47]

5 結(jié) 語

隨著對(duì)自旋電子學(xué)(特別是基于自旋軌道矩的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SOT-MRAM)的“寫入”操作)的深入研究，無外磁場輔助的SOT-MRAM成為了當(dāng)前熱門研究方向之一。本文總結(jié)了自旋軌道矩驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)方面的部分研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了在零場下的自旋軌道矩驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)。目前主要的幾種零場下自旋軌道矩驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的方法包括：通過設(shè)計(jì)破壞其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性產(chǎn)生一個(gè)面外方向的有效場；具有反鐵磁或者界面耦合提供交換偏置場的堆棧；自旋軌道矩與自旋轉(zhuǎn)移矩的相互作用；面內(nèi)磁各向異性-鐵磁層(IMA-FM)/非鐵磁材料(NM)/垂直磁各向異性-鐵磁層(PMA-FM)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過電場誘導(dǎo)產(chǎn)生有效場和一些特定的低對(duì)稱性的半金屬；以及在一些亞鐵磁材料中，通過設(shè)計(jì)組分、磁各向異性的梯度，使亞鐵磁層在面內(nèi)或者垂直于膜面方向存在梯度的各向異性和飽和磁化強(qiáng)度，從而打破亞鐵磁層的對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)零場翻轉(zhuǎn)。