与MgO势垒层相匹配的新型垂直磁性薄膜与隧道结及其磁化状态的电流调控

With the rapid progress in magnetic random access memory (MRAM) industry, perpendicularly magnetized tunnel junctions (p-MTJ) with high perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and large tunneling magnetoresistance (TMR) are urgently demanded, meanwhile, current induced magnetization switching through spin transfer torque (ST) and spin-orbit torque is key issues to realize faster information writing with less power. In this project, perpendicular magnetic films and p-MTJ based on FeNiB/MgO and Co2FeAl-B/MgO will be studied. A comprehensive investigation on the perpendicular magnetic properties of nonmagnet (NM) (Mo, Ta, W, Hf)/(FeNiB, Co2FeAl-B/MgO) will be performed, and the p-MTJ will then be fabricated with optimized multi-layer structure. In order to realize the high performance p-MTJ with enhanced PMA and TMR as well as lowed ST and SOT critical currents, the microstructure and interfaces will be modified thoroughly in controlled ways. It is our final goal to fabricate novel p-MTJ based on FeNiB/MgO and Co2FeAl-B/MgO with its performance comparable to or superior to that of the CoFeB/MgO p-MTJ, and thus to contribute to the spintronic community.

高垂直磁各向异性(PMA)、大隧穿磁电阻(TMR)的垂直磁隧道结(p-MTJ)材料，是保证磁性随机存储器(MRAM)不断发展的首要物质基础；同时，通过垂直膜面电流的自旋转移力矩(ST)或平行膜面电流的自旋-轨道力矩(SOT)实现高速度、低能耗的磁化翻转是MRAM信息写入技术亟待发展的核心议题。本项目将系统研究与MgO势垒层相匹配的以FeNiB和半金属Co2FeAl-B为核心的新型垂直磁性薄膜及相关的高性能p-MTJ材料。通过非磁NM (Mo, Ta, W, Hf)/(FeNiB, Co2FeAl-B)/ MgO的人工微结构和多重界面的控制，增强p-MTJ的PMA和TMR，降低ST和SOT诱导磁矩翻转的临界电流。研究结果将突破现有唯一综合高性能CoFeB/MgO基p-MTJ，为自旋电子学发展提供新的材料选择。

垂直磁各向异性异质结构薄膜，包括巨大隧穿磁电阻的垂直磁隧道结薄膜和其它各种功能特性的垂直磁化多层膜，是未来信息技术发展的重要物质载体；同时，通过电流或电压实现高速度、低能耗的磁动力学响应和磁化翻转是未来信息写入、处理和传输等方面亟待发展的核心议题。本项目围绕多种新型垂直磁性薄膜与隧道结及其磁化状态的电流调控，获得具有400C的高温度稳定性和高垂直各向异性的Mo/FeNiB/MgO多层结构，对应垂直磁隧道结的室温隧穿磁电阻达到112%，结果表明，Mo/FeNiB/MgO结构可作为下一代自旋电子器件核心单元的重要候选材料。发现自旋阀“IrMn/CoFe/Cu/CoFeB”和磁隧道结“IrMn/CoFe/-Ta/CoFeB/MgO/CoFeB”的钉扎铁磁层磁畴壁对CoFeB自由层的磁阻尼的显著影响，结果表明在异质结构中，相邻磁性和非磁性层产生的非本征阻尼贡献以及非局域自旋流输运产生的额外本征阻尼需要甄别与考虑。通过超快激光脉冲调控了MgO/CoFeB/Ta界面自旋泵浦效率，证明超快激光脉冲激化的自旋动力学和界面自旋流的操控对自旋电子材料和器件的动态性能具有重要影响。直接证明了多层结构Ta/CoFeB/MgO的垂直各向异性与Co、Fe原子的轨道磁矩的相关性。发现不同重金属Pt、W作为包覆层对TbFeCo合金薄膜的垂直磁各向异性和热稳定性的影响，W/TbFeCo超薄膜体系具有磁矩补偿、巨大垂直磁各向异性场和高热稳定性的特点。另一方面，磁性绝缘体具有不产生焦耳热损耗，阻尼因子小，自旋传输距离长等特点，系统研究了Ho3Fe5O12、Y3-xTmxFe5O12等磁性绝缘体纳米薄膜的外延生长，对它们的垂直磁各向异性进行了大范围调控，并利用重金属Pt的自旋-轨道力矩效应实现了Ho3Fe5O12/Pt、Y3-xTmxFe5O12/Pt等异质结构的电流诱导绝缘体垂直磁化的翻转，且发现对应的磁化翻转临界电流密度几乎不受垂直各向异性的影响。此外，还设计了Tm3Fe5O12/CoFeB/Cu异质结构，利用高电导3d金属Cu的轨道流，首次实现了完全无辅助外磁场的、低功耗的电流诱导绝缘体垂直磁化的翻转。