重金属/铁磁/氧化物结构中自旋轨道矩驱动的磁化翻转研究

The magnetization reversal and domain wall motion driven by spin orbital torque (SOT) effect in magnetic devices with heavy metal/ferromagnetic/oxide structures, not only greatly enrich the content of spintronics theoretically, and also has significant potential applications in ultrahigh density information storage devices. Currently the origin of SOT and the mechanism of SOT driven magnetization reversal have not been thoroughly understood. The micromagnetics of SOT still needs further improvement. In this project, the mechanism of SOT driven magnetization reversal will be analyzed by both experiments and micromagnetics. Specifically, we will study the SOT driven magnetization reversal process by anomalous Hall effect and magneto-optical Kerr effect, in heavy metal/ferromagnetic/oxide structures with both perpendicular anisotropy and tilted anisotropy. We will also measure the SOT effective field in these structures. Finally, by considering the microstructure of thin films and devices, we will study the dynamics process of SOT driven magnetization reversal by micromagnetics. Through the above research, we expect that the physical mechanism the SOT driven magnetization reversal can be clarified, and also SOT driven magnetization reversal with low threshold currents in absence of external magnetic field can be achieved, which will provide theoretical basis for spin-orbital torque magnetoresistive access memory (SOT-MRAM).

在重金属/铁磁/氧化物结构的磁性器件中自旋轨道矩(SOT)效应驱动的磁化翻转和畴壁运动，不仅在理论上极大地丰富了自旋电子学的内容，而且在高密度信息存储器件方面有着重要的应用前景。目前关于自旋轨道矩的起因以及自旋轨道矩驱动磁化翻转的物理机制还没有被完全理解；与自旋轨道矩相关的微磁学理论也仍需要做进一步的发展。本项目将从实验和微磁学两个方面系统研究自旋轨道矩驱动的磁化翻转过程。具体地，我们将采用反常霍尔效应和磁光克尔效应研究垂直各向异性和易轴倾斜的重金属/铁磁/氧化物结构中自旋轨道矩驱动的磁化翻转过程，测量这些结构中自旋轨道矩有效场；最后在考虑薄膜和器件微结构的基础上，采用微磁学模拟研究自旋轨道矩驱动磁化翻转的动力学过程。通过上述的研究，我们期望能够理清自旋轨道矩驱动磁化翻转的物理机制，获得具有低阈值电流和无外场辅助的电流驱动磁化翻转，为自旋轨道矩磁性随机存储器的应用奠定理论基础。

磁性异质结构中的自旋轨道矩(SOT)效应不仅包含深刻的物理内涵，它在磁信息存储和逻辑器件中也有广泛的应用前景。尤其是重金属/铁磁/氧化物结构中SOT驱动的磁化翻转是有潜力应用于磁性随机存储器的下一代技术。但关于SOT的起因以及其驱动磁化翻转的物理机制还没有被完全理解，与SOT相关的微磁学理论也仍需要做进一步的发展。本项目从实验和微磁学模拟两个方面研究了重金属/铁磁/氧化物结构中的SOT效应及其驱动的磁化翻转。我们首先继承并发展了现有的二次谐波测量技术，创新性地提出了基于磁电阻效应二次谐波测量SOT有效场的方法，并系统测量了常见的Ta/CoFeB/MgO，Pt/CoFeB/MgO, Pt/NiFe/MgO，Pt/(Co/Ni)n, Pt/Co-Tb/Ta等结构中的SOT有效场及其厚度依赖关系，阐明了这些结构中SOT的起源；其次，我们采用磁光克尔显微镜观测了这些体系中电流驱动磁化翻转过程及其随外加场的依赖关系，并结合微磁学模拟工作，给出了较大尺寸的器件中SOT驱动磁化翻转的完整物理过程：即奥斯特磁场和SOT场控制下的成核过程和受到Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI)作用调制的SOT驱动畴壁运动。至此，重金属/铁磁/氧化物结构中电流驱动的磁化翻转在SOT和DMI框架内被完全理解。此外，通过对重金属/铁磁界面的修饰，实现了对SOT效应和DMI作用的调控。我们也研究了重金属/亚铁磁结构中的SOT效应及其驱动的磁化翻转，发现了两种不同的磁化翻转模式，并最终利用界面自旋流实现了电流驱动的垂直各向异性亚铁磁层的无场翻转。我们还发现了在(Ta/CoFeB/MgO)n多层膜中由界面DMI和多层膜偶极作用导致的磁性斯格明子阵列，并通过微磁学模拟弄清了其基本属性和产生的物理机制。上述结果阐明了重金属/铁磁/氧化物结构中SOT效应的起源及其驱动磁化翻转的物理机制，为SOT在磁性随机存储器中的应用奠定了理论基础。