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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2017年
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CoFeB薄膜垂直各向异性成分调控与CrAl自旋霍尔效应的研究

常远思  
【摘要】:磁随机存储器作为一种方兴未艾的自旋电子学器件,由于其具备非易失性、高密度、高速读写等优良的性能,使得磁随机存储器在日常生活、军事和工业等诸多领域都具有极大的开发潜力和应用价值。垂直磁性隧道结作为高密度磁随机存储器的核心单元一直倍受广大研究者的青睐,提高隧道结磁性电极的垂直各向异性和温度稳定性是近年这方面研究的焦点。在垂直磁化的Co Fe B/Mg O薄膜及其相关隧道结的研究中,通常都是改变Co、Fe比例,而B的原子比含量始终为20%不变。本论文的研究目的之一是通过调节B的成分来提高Co Fe B/Mg O体系的垂直各向异性和温度稳定性。我们研究了Co、Fe为等原子比,B成分为10%、20%、30%时Ta/(Co0.5Fe0.5)1-x Bx/Mg O和Mg O/(Co0.5Fe0.5)1-x Bx/Ta正反两种生长顺序下体系的垂直磁性能。结果显示,经过300℃真空退火后,作为对照组的20%B含量的Ta/Co0.4Fe0.4B0.2/Mg O样品,Co Fe B薄膜具有垂直磁化的极限厚度为1.2nm,对于相反结构的Mg O/Co0.4Fe0.4B0.2/Ta样品,Co Fe B厚度在1.2~1.4 nm之间的样品展现出了垂直磁各向异性。当B的含量降为10%时,相同退火条件下体系的垂直各向异性降低:在Ta/Co0.45Fe0.45B0.10/Mg O样品中,只有Co Fe B为0.8nm厚的样品表现出垂直易磁化的特性,对于Mg O/Co0.45Fe0.45B0.10/Ta样品,仅有1.0 nm厚的样品表现出垂直易磁化的特性。当B含量增加到30%,样品的垂直磁性能较之参考样品均获得了相当大的提高:Ta/Co0.35Fe0.35B0.30/Mg O样品在300℃真空退火后,Co Fe B垂直磁化的极限厚度从对照组成分的1.2 nm增加到1.4 nm,界面垂直各向异性常数Ks从1.7 erg/cm2增加到1.9 erg/cm2;当退火温度升高至325℃,Co Fe B厚度为1.3 nm及以下的样品仍然表现出了垂直易磁化,而对照组20%B含量的所有样品在相同温度下已不具备垂直磁各向异性。相反结构的Mg O/Co0.35Fe0.35B0.30/Ta则表现出更加优异的温度稳定性和垂直各向异性,在高至350℃的最佳温度真空退火后,Co Fe B垂直易磁化的极限厚度增加到1.5 nm,相应界面垂直各向异性常数Ks增加至2.0 erg/cm2,而对照组20%B含量的所有样品在相同温度下的磁性已完全被破坏。总结起来,我们发现过量的B有效的提高了Co Fe B/Mg O体系的垂直各向异性和温度稳定性,因而B含量适量增加是优化C o F e B/M g O体系的垂直磁性能和热稳定性的有效途径之一。Cr为原子序数较小的3d金属,但具有很大的自旋霍尔角,差不多可以和5d金属W等比拟;Al是一种原子序数更小的主族轻金属元素,容易与Cr形成合金,并且使Cr的非公度自旋密度波反铁磁性变为简单的公度反铁磁性,同时Cr1-xAlx反铁磁合金在x=0.26左右具有很高的奈尔温度,表现出半导体输运特性。因此,本论文还研究了Cr-Al反铁磁合金的自旋霍尔效应。我们制备了系列不同金属层厚度的YIG/Cr0.72Al0.28和YIG/Cr异质结构薄膜样品,两组样品的电阻率测量结果显示Cr0.72Al0.28薄膜的电阻率数倍于Cr,尤其在金属层较厚的情形下;在垂直膜面温度梯度下,由于纵向自旋塞贝克效应所产生的逆自旋霍尔电压,YIG/Cr0.72Al0.28薄膜的逆自旋霍尔电压数值较相同金属层厚度的YIG/Cr薄膜的数值明显增大。自旋扩散长度和自旋霍尔角的表征结果显示,Al与Cr的合金化虽然强烈改变了Cr电子结构和输运特性,但是Cr0.72Al0.28的自旋扩散长度和Cr的数值大体相当,而Cr0.72Al0.28的自旋霍尔角减小为Cr的三分之一。我们的研究表明具有非常小自旋-轨道耦合的Al的大量引入确实使合金的自旋霍尔角下降,尽管如此,由于Cr0.72Al0.28合金薄膜的高电阻率,导致了大的逆自旋霍尔电压,使之仍不失为一种有效的自旋流探测材料。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383.2;TP333

【参考文献】
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【二级参考文献】
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