Fe-MgO颗粒膜低的室温自旋转移矩临界电流密度

From a practical point of view, a critical issue for the spin-transfer torque effect is the reduction of the critical switching current density Jc.Spin-transfer torque effect was observed in spin valves and tunnel junctions at room temperature, but the reported Jc is in the range of 1 MA/cm2, which is too high for practical applications.Recently, we achieved ultralow critical switching current density Jc about 4.2 KA/cm2 for spin transfer in Fe-MgO nanscale granular film at room temperature. In this project, the Fe fraction, the Fe particle size and MgO thickness of Fe-MgO granular film will be adjusted by changing growing conditions. Then the relation between above factors and the spin-transfer torque effect of Fe-MgO granular film will be investigated, and lower critical switching current density will be achieved. Electric hysteresis of the spin-transfer torque effect will be obtained.In order to reveal the physical mechanism and thermal stability, the temperature dependence of the spin-transfer torque effect will be investigated. The application condition of spin-transfer torque effect of Fe-MgO granular film will be explored.

降低自旋转移矩效应（STT）的室温临界电流密度是该效应实用化的一个关键，国际上STT的研究都集中在自旋阀和磁隧道结两种薄膜结构中，报道的STT室温临界电流密度处于兆安每平方厘米量级（有一个例外，但需额外加电场协助），限制了它的应用。我们前期工作在Fe-MgO颗粒膜中观察到室温临界电流密度低至4.2千安每平方厘米的自旋转移矩效应。本项目旨在前期工作基础上利用改变生长条件、退火和光刻等方法来调节Fe-MgO颗粒膜中Fe含量、Fe颗粒尺寸、Fe颗粒间MgO绝缘材料的厚度和样品尺寸等物理参数,研究Fe-MgO颗粒膜STT效应和室温临界电流密度与这些物理参数的关系,寻求更低STT室温临界电流密度；采用增加Fe颗粒尺寸和磁场中真空退火等方法来使该STT效应具有显著的电滞特性；研究该STT效应和临界电流密度与温度的关系,揭示其物理机制和热稳定性；探索有助于Fe-MgO颗粒膜自旋转移矩效应实用化的条件。

目前国际上对自旋转移矩效应的研究都集中在自旋阀和磁隧道结两种结构中。本项目研究了Fe-MgO 颗粒膜的自旋转移矩效应和室温临界电流密度，探索了一个降低自旋转移矩室温临界电流密度的新方案，丰富了自旋转移矩效应的物理内涵，研究内容具有创新性和科学意义。多年来，国际上实验报道的自旋转移矩效应室温临界电流密度处于106A/cm2量级（唯有一例 104A/cm2量级的额外电场协助的自旋转移矩效应报道), 限制了自旋转移矩效应的应用。本项目研究了室温临界电流密度低至 103A/cm2量级且无额外电场协助的Fe-MgO颗粒膜自旋转移矩效应相关特性，探索了有助于Fe-MgO颗粒膜自旋转移矩效应实用化的条件。我们的研究揭示了Fe-MgO颗粒膜的自旋转移矩效应和室温临界电流密度与样品Fe体积百分比VFe、Fe颗粒大小和尺寸均匀性、Fe颗粒间MgO绝缘材料的厚度以及样品尺寸的关系。并获得了Fe-MgO颗粒膜更加低的室温临界电流密度（室温Fe-MgO颗粒膜临界电流密度为4200A/cm2)和更加显著的自旋转移矩效应（自旋转移翻转前后电阻相对变化达到26%)。同时实现了Fe-MgO颗粒膜自旋转移矩效应显著电滞特性，有助于该效应的实用化。还揭示了温度对Fe-MgO颗粒膜的自旋转移矩效应和临界电流密度的影响，解明了Fe-MgO颗粒膜的自旋转移矩效应和临界电流密度的物理机制，同时还揭示了自旋转移矩效应和临界电流密度的高温稳定性，发现在8K至500K的温区里Fe-MgO颗粒膜能够保持稳定的103A/cm2量级的极低临界电流密度，说明Fe-MgO颗粒膜自旋转移矩效应有很好的应用前景。