重金属/铁磁/氧化物结构中的面内磁各向异性调控和自旋轨道力矩效应研究

Current induced spin-orbit torque (SOT) is a very promising method to drive the magnetization reversal. However, due to the lack of adequate understanding of the contribution of the interface Rashba effect in the process of magnetization reversal, which limited its extensive applications. Therefore, an innovative research ranging from the development of new system to new preparation methods are of urgent needed. In this project, by regulating the In-plane magnetic anisotropy and interface of the heavy-metal/ferromagnetic/oxide structure, we will systematically study the effect of interface types, interface state, each layer thickness, easy magnetization axis orientation on the spin-orbit torque (SOT) induced by in-plane current. Combining with the experience and superiority of our team, the sample platform of the magnetron sputtering equipment will be redesigned. Based on the planar Hall Effect (PHE) and anomalous Hall Effect (AHE), the “in situ differential resistivity measure method” will be developed. The in situ measurement of current induced SOT in heavy- metal/ferromagnetic/oxide structure will be realized. We expect to verify the contribution of interface spin-dependence scattering to the spin-orbit torque (SOT), and clarify the function of Rashba effect in the process of the magnetization reversal. Development and modification of the theoretical mechanism on spin-orbit torque induced magnetization reversal, provide experimental foundation and theoretical basis for the reasonable utilization of the interface Rashba effect in practical application.

自旋轨道力矩是一种非常有应用前途的实现电流控制磁化翻转的方法，然而目前关于界面Rashba效应在磁化翻转过程中的作用和贡献还缺乏足够的理解，阻碍了它的广泛应用，迫切需要从新思路和新方法上开展创新性研究。本项目拟通过对面内磁各向异性“重金属/铁磁/氧化物”结构的界面和磁各向异性的调控，系统研究界面类型、界面状态、各层厚度、易磁化轴取向等对电流激发自旋轨道力矩的影响；并进一步利用团队的经验和优势，对磁控溅射设备的“样品台”进行重新设计，基于平面霍尔效应和反常霍尔效应的微分电阻分析方法，试制“原位微分电阻测量装置”，实现对“重金属/铁磁/氧化物”结构中电流诱导自旋轨道有效场的膜面内的原位测量；探明界面自旋相关的散射对自旋轨道力矩的贡献，弄清Rashba效应在磁化翻转的作用；发展和完善自旋轨道力矩诱导磁矩翻转的理论机制，为在实际应用中合理和有效利用界面Rashba效应的贡献提供实验基础和理论依据。

基于磁性隧道结的磁阻式磁性随机存储器（MRAM）被认为是最有希望解决现有随机存储器断电失忆等问题的方案，利用面内电流激发的自旋轨道力矩（SOT）诱导磁性层的磁矩翻转时不需要额外的参考磁性层，是最有应用前景的MRAM写入方式。本项目在实现面内单轴磁各向异性的重金属/铁磁/氧化物结构磁学特性调控的基础上，借助平面霍尔效应与磁化角度紧密关联的特性，系统而全面地研究电流自旋轨道力矩诱导面内磁矩翻转的过程。通过项目实施，主要取得了以下研究成果：1）采用磁控溅射法制备出了Ta/Fe80Ni20-O/Al2O3、Pt/Fe80Ni20-O/SiO2、Ti/Fe80Ni20-O/SiO2等重金属/铁磁/氧化物结构多层膜，并获得了其磁各向异性调控的具体方案和相关技术资料；2）使用PPMS的水平旋转杆，系统研究了Fe80Ni20O薄膜中的平面霍尔效应（PHE），明确了薄膜的有效磁各向异性场对PHE影响规律，发现具有面内单轴磁各向异性的磁性薄膜中，磁矩翻转主要通过Stoner-Wohlfarth的一致转动模型进行；3）系统研究了PHE曲线与样品磁化过程的内在联系，建立了PHE曲线与磁性薄膜磁矩取向的几何关系方程，实现了通过简单地测试样品的PHE，判断样品中的磁矩翻转过程以及磁化取向；4）使用磁控溅射制备了一系列不同磁性层厚度的Ta/Fe80Ni20O/Al2O3结构多层膜，实现了该多层膜结构中面内单轴磁各向异性有效调控，探明了重金属/铁磁/氧化物结构中的面内单轴磁各向异性和SOT诱导磁化过程对样品的基本要求和影响因素；5）对磁控溅射设备的“样品台”进行重新设计和改装，基于平面霍尔效应和反常霍尔效应试制了一套简易的“原位微分电阻测量装置”，并实现电磁输运特性的原位测试；6）制备了一系列Ta/Co20Fe60B20/MgO结构多层膜，研究了倾斜溅射角度和Co20Fe60B20厚度等变量对样品磁学特性的影响；7）结合项目团队自身的学术背景优势开展了部分利用磁性分析研究电池的电极材料充放电过程中的微结构演变规律，取得了一些创新性的研究成果，并发现用磁性分析电化学过程是一个非常值得研究的新领域。项目的研究结果将为SOT诱导铁磁层的磁矩翻转以及PHE和磁化过程的研究提供实验基础和理论依据。