磁性随机存储器中调控磁化反转势垒降低临界电流密度研究

Magnetic random access memory (MRAM) is the most important choice of information storage of the next generation. Using spin transfer torque effect (STT) reversal ferromagnetic layer (FM) magnetization direction, the MRAM can realize the transformation between a high impedance state and a low resistance state. So far, the core problem of the STT facing the community is how to further reduce the critical current density, considering the integrated optimization of the magnetoresistance, the magnetic anisotropy, and the thermal stability. In this application, we propose a new method of the Electric controlled magnetization switching(ECMS): in an exchange-biased FM/AFM multilayers with small exchange stiffness (Aex), firstly reverse the pinning direction as well as the magnetization direction of the interfacial FM spins by the STT effect, forming an interfacial planar domain wall (PDW), secondly tune the asymmetric magnetization reversal behaviors (AMRB) of the exchange bias (EB) system, pushing the PDW through the FM layer spontaneously by the interfacial pinning effect. For this method of the ECMS, the STT effect only needs to be applied on the interfacial spins in the FM layer. Thus, the energy barrier of the magnetization reversal turns from the anisotropic energy of the whole FM layer to the domain wall energy of the PDW. The energy barrier is nearly halved, which would greatly reduce the critical current density (Jc) of the STT.

磁性随机存储器（MRAM）极有可能成为下一代信息存储技术的首选。利用自旋转移矩效应（STT）反转铁磁层（FM）磁化方向， 是MRAM实现高阻态、低阻态转变的主要方式。STT面临的核心问题是降低临界电流密度（Jc），同时必须综合考虑磁电阻率（MR）、热稳定性（Ku）等因素。本项目提出了一种新的电控磁矩反转（ECMS）方式：在交换劲度（Aex）很小的交换偏置（EB）多层膜体系中，利用STT效应先翻界面磁矩，在铁磁/反铁磁（FM/AFM）界面形成平行界面的畴壁（PDW）。再通过Aex调控不对称反磁化行为（AMRB）类型，利用EB推动界面PDW自发地向远离FM/AFM界面的方向移动，直到扫过整个FM层。这种ECMS方式中，STT只需作用于FM层界面磁矩，需要克服的势垒能量从整个FM层的各向异性能变成了PDW的畴壁能，势垒的大小比传统的方式要低一半左右，可以大幅度降低Jc。

磁性随机存储器（MRAM）极有可能成为下一代信息存储技术的首选，目前面临的核心问题是降低磁化翻转的临界电流密度（Jc）。本项目执行四年来，围绕这一核心问题，在降低临界电流密度新方法的研究和相关新材料生长、垂直多层膜的自旋相关输运和调控、RRAM中磁性金属细丝生长和调控、自旋相关量子输运过程的数值计算等方面进行了系统和深入的工作。主要研究内容包括：利用控溅射方法制备拓扑绝缘体，通过覆盖（Al）保护层来稳定费米能级，利用这类新材料的SOT效应有可能大幅度地降低MRAM临界电流密度；利用磁控溅射方法制备了Co/HfO2/Pt结构的样品，加工并形成了crossbar器件结构，利用partial-RESET的电学操作方法来形成铁磁性金属细丝并控制其尺寸，研究了其中的各向异性磁电阻效应；研究了Co/Pt多层膜体系中界面自旋相关输运问题，还研究了HfO2对Co/Pt多层膜体系反常霍尔效应的影响；采用NANODCAL软件包，结合使用了密度泛函理论和非平衡格林函数方法(DFT-NEGF)，采用第一性原理计算的方法，分析了铁磁电极中的谷极化电子结构和整个结的谷极化输运性能。计算了铁bcc晶体的电子结构和输运性能，从而进一步研究了在铁磁导体中QAMR出现的条件。项目成果在自旋电子学、低能耗电子学和磁性传感器方面有潜在的应用价值。