高自旋极化率与低磁阻尼系数垂直磁性多层膜的研究

垂直磁化薄膜具备纳米尺度磁结构稳定、高速磁化反转的本征属性，是构建未来高性能磁电子器件的理想对象，但所要求的高自旋极化率、低磁阻尼系数和高温度稳定性的垂直薄膜体系至今基本不存在。本项目将主要依靠人工微结构和界面控制，并通过具有自主知识产权的纳米氧化结构对薄膜垂直各向异性的影响，综合利用Ta的强非晶化能力及Ta、Pd对薄膜垂直各向异性、磁阻尼系数的不同影响力，发展具有高自旋极化率、低磁阻尼系数和高温度稳定性的CoFe、CoFeB基垂直多层膜体系，最终分别应用于垂直自旋阀和垂直磁隧道结，使它们的性能提升到一个新的高度，推进垂直磁电子材料的实用化进程；同时，深刻理解纳米氧化结构对垂直各向异性的增强效应与相关机制；明确磁阻尼系数对垂直各向异性、磁性层厚度的依赖关系，阐明界面效应与薄膜不完整性影响垂直薄膜磁阻尼系数的不同规律。

垂直磁化薄膜具备纳米尺度磁结构稳定、高速磁化反转的本征属性，可克服面内磁各向异性材料的缺点，代表自旋电子材料和器件的未来，这方面多年的探索却一直止步于传统垂直各向异性体系，相应材料的性能低下。2010年日本东北大学取得突破性进展，在Ta/CoFeB/MgO结构中发现了垂直各向异性，并制备了高隧穿磁电阻的垂直各向异性CoFeB/MgO隧道结，但垂直Ta/CoFeB/MgO结构仍存在两大问题，一是CoFeB的有效垂直各向异性有待进一步提高，且Ta与CoFeB之间是否贡献显著界面各向异性存在很大争议；二是Ta/CoFeB/MgO结构的温度稳定性较差，相关的垂直隧道结只能承受最高300°C的退火温度，不利于隧道结性能优化，更无法与器件集成CMOS电路所要求的350°C退火过程相容。我们证明了Ta/CoFeB/MgO结构的垂直磁各向异性主要来自于CoFeB/MgO界面，同时Ta显著增强了CoFeB/MgO界面各向异性，系统比较了V，Nb，Hf，Ta，W薄膜对CoFeB/MgO界面各向异性的影响，发现相比于Ta，Hf的增强效应提高了35%，且纳米Hf薄膜的非晶结构保证了Hf/CoFeB/MgO不会出现(Pt,Pd)/CoFeB/MgO等传统垂直各向异性体系对MgO的破坏性模板效应。另一方面，我们发现在Mo/CoFeB/MgO结构中，由于Mo高温下对MgO的惰性和极少Mo、O扩散，垂直各向异性比Ta的结果提高20%，温度稳定性达到425°C，同时CoFeB/MgO具有 (001)取向，满足自旋过滤效应实现大隧穿磁电阻的特点，成功制备具有高隧穿磁电阻、高垂直各向异性、高温度稳定性以及电场对垂直各向异性调控显著的Mo/CoFeB/MgO隧道结。此外，以垂直各向异性Mo/CoFeB/MgO为基本单元还获得垂直人工反铁磁，并观察到巨磁电阻效应；通过CoFe/Ta复合层的界面修饰，使IrMn/CoFeB/MgO结构同时实现较高垂直各向异性和较大垂直交换偏置。与此同时，在自旋电子学新领域进行探索，直接证实了磁性绝缘体YIG/Pt体系的磁近邻效应，发现Pt薄膜电子结构直接关联的物理量，正常霍尔系数、电阻率受到磁性层的强烈调制；通过FePt超薄膜温度相关的输运测量，发现库仑相互作用对其输运性质的影响可以忽略，电子局域化对反常霍尔效应存在强烈量子修正，霍尔电导率标度关系式指数因此由1.6改变为2。