CoFeB基新型垂直磁各向异性薄膜的界面调控及其自旋输运特性的研究

电流诱导的自旋转移矩(STT)是自旋电子器件的重要发展方向。由于具有低功耗、抗热扰动性好等潜在优点，垂直磁各向异性(PMA)薄膜日益成为STT器件的研究热点之一。CoFeB基PMA薄膜，如Ta/CoFeB/MgO，就是最新一类的PMA薄膜，但目前为止，其垂直磁各向异性的物理机制还并不清楚。本项目根据申请者多年在磁隧道结的研究积累，采用反常Hall效应，结合薄膜磁性和薄膜结构分析手段，系统地研究在不同溅射工艺及退火工艺条件下，Ta/CoFeB/MgO的界面结构及垂直磁各向异性，研究中将着重于Ta/CoFeB/MgO的界面结构的调控，由此揭示出此类CoFeB基新型PMA薄膜产生垂直磁各向异性的物理机制。通过进一步优化溅射及退火等工艺条件，制备出高质量的CoFeB基新型PMA薄膜，同时开展CoFeB基新型PMA薄膜的自旋相关输运特性的研究。

垂直磁化膜是新型基于电流诱导自旋转移矩(STT)或自旋轨道力矩(SOT)的自旋电子学材料或物理研究的重要发展方向。本项目通过多种实验手段深入研究了CoFeB基新型垂直磁化膜的界面调控，及其自旋相关的输运特性，如反常Hall效应，并根据国际上自旋电子学的最新研究趋势，适时将SOT诱导的磁化翻转作为CoFeB垂直磁化膜在自旋相关输运特性研究的突破点。. 项目按研究计划顺利开展，执行期间，申请国家发明专利2项，其中一项已授权；发表SCI论文13篇，其中2篇APL和1篇Sci. Rep.，Chinese Physics B上综述文章1篇。参加国际重要磁学相关学术会议5次，做邀请报告1次，口头报告6次。参加国内磁学会议5次，做邀请报告5次。.本项目的重要研究成果如下：（1）在国际上首次采用极化中子反射这一能同时研究界面结构及分层磁性的研究手段对Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta的界面进行了深入分析，研究发现MgO层两侧的CoFeB铁磁层的磁性并不相同，即CoFeB的垂直磁化特征与具体的薄膜结构密切相关，不同膜层结构的CoFeB垂直磁化膜具有不同的垂直磁化特性，相关论文获得国际上广泛关注，目前已有SCI引用16次，其中他引12次。（2）结合反常Hall效应、第一性原理计算等研究手段对CoFeB垂直磁化膜的形成机制进行了深入分析，发现一个新的调控CoFeB垂直磁各向异性的途径，即通过MgO层厚度的变化对MgO/CoFeB/Ta的PMA进行调控，进一步结合微加工工艺，获得了国际上迄今为止线性Hall灵敏度最高的材料，其Hall灵敏度可达为2376 Ohm/kOe，是实际使用的最灵敏Hall半导体材料InSb的21倍，相关论文获得国际上广泛关注，目前已有SCI他引7次。（3）系统研究了弱局域化对CoFeB垂直磁化膜反常Hall效应的影响，发现随着薄膜厚度的减小，Skew Scattering机制开始和Side Jump机制一起主导反常Hall效应物理机制。进一步通过深入研究Pt/CoFeB/Pt垂直磁化膜的SOT效应，在国际上首次实现了电流对磁各向异性的调控。. 总之，本项目的研究揭示了CoFeB垂直磁化膜的形成机制及其在反常Hall效应中的应用，而电流对磁各向异性调控的实现为进一步探索基于SOT的新型自旋电子器件提供一种新的选择。