【摘要】：隨著器件尺寸的不斷減小,基于半導體技術的存儲器及邏輯器件正面臨著極大挑戰(zhàn),而基于電子自旋相關輸運效應的磁隨機存儲器和磁邏輯器件,因具有非易失性、低能耗、快速操作等優(yōu)點而受到廣泛關注。磁隨機存儲器的核心元件是鐵磁性隧道結,信息的讀取機制是基于隧穿磁電阻效應,而目前廣泛采用的寫入方法則是利用自旋極化電流產生的力矩作用翻轉鐵磁性隧道結磁性層的磁化方向。這種可能翻轉鐵磁性隧道結磁化方向的力矩有兩種形式:一種是基于自旋角動量轉移效應產生的自旋轉移力矩;另一種是基于自旋軌道耦合效應產生的自旋軌道矩。深入理解隧道結磁化翻轉動力學中這兩種力矩的作用和機制有助于優(yōu)化隧道結器件結構,提高自旋轉矩的的效率,有利于設計并構筑具有更低寫入能耗的磁存儲或邏輯器件。本論文以磁性異質結為對象,研究了自旋轉移力矩和自旋軌道矩在新型自旋存儲技術和邏輯器件中的應用。論文的主要成果如下:(1)制備了兩種基于Co2MnSi半金屬的鐵磁性隧道結結構,分別為對稱結構Co2MnSi/MgO/Co2MnSi和非對稱結構Co2MnSi/MgO/CoFe。其中,對稱結構隧道結的室溫隧穿磁電阻效應高達88%。進一步,利用自旋矩鐵磁共振技術測量了兩種結構中自旋轉移力矩的兩個分量(類阻尼力矩和類場力矩),并研究了它們的偏壓特性。發(fā)現(xiàn)在兩種結構中,類阻尼力矩都呈現(xiàn)線性特征。而對比于對稱結構,非對稱結構中的類場力矩在二次型特征上還出現(xiàn)一個額外的線性特征。我們利用自由電子模型研究了這種現(xiàn)象的物理機制。另外,論文研究還發(fā)現(xiàn),Heusler合金的低阻尼和低飽和磁化強度特性比其半金屬性更有可能大幅提高自旋轉移力矩的效率。(2)制備了W(O)/x/CoFeB系列磁性多層膜(x為插入層Au或Cu),將一個可忽略自旋軌道耦合效應的薄層插入到W(O)/CoFeB的界面處,利用自旋矩鐵磁共振技術研究了該系列多層膜的自旋軌道矩效應及其產生機制。研究發(fā)現(xiàn),在以W(O)作為自旋流產生層的體系中,插入層的存在抑制了測量得到的有效自旋霍爾角,這與利用自旋透過率公式估算的數(shù)值不符。材料塊體透過率機制與實際測得的有效自旋霍爾角之間的差異,表明W(O)/CoFeB體系中自旋軌道矩的產生來源于界面效應。另外,本研究確認了W(O)體系的自旋霍爾角為-50%,這也是目前在傳統(tǒng)金屬體系中觀察到的最大值。(3)以W(O)作為自旋流產生層,Co40Fe40B20作為隧道結的鐵磁層,制備了一種新型三端器件,并針對該器件進行了自旋軌道矩翻轉動力學研究。論文提出了一種新型的自旋軌道矩翻轉方案,即在自旋極化方向與磁矩彼此不共線也沒有外加磁場的條件下,可以通過調控納米單元的非均勻微磁化狀態(tài)來實現(xiàn)完全的磁化翻轉。利用微磁模擬研究了多種類型的微磁化狀態(tài)對自旋軌道矩翻轉過程的影響。最后演示了這種無外加磁場的翻轉方案如何用于邏輯器件,舉例說明了利用兩種構型的三端隧道結器件進行非易失性反相器(非門電路)的操作,進而構筑出非易失性納米磁性邏輯電路。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN386;TP333
【圖文】：

在ＧａＡｓ邋（１００）基片上生長了晶格取向為（１００）的Ｆｅ／Ｃｒ／Ｆｅ單晶薄膜，通過逡逑研究器件的電輸運特性，發(fā)現(xiàn)在Ｃｒ層厚度為０．９邋ｎｍ并且在４．２邋Ｋ的溫度條逡逑件下，當電流平行于膜面時，測得的磁電阻高達８０％邋（圖２－２ａ）。德國科學家逡逑Ｇｒｉｉｎｂｅｒｇｌ１】和法國科學家Ｆｅｒｔｌ２］分別獨立進行的實驗研[�，同湿N⑾至蘇庖恍у義嫌�，称为舅拻仚骚应（块ａｎｔＭａ＜傤ｅｔｅP潁澹螅椋螅簦幔睿悖澹虺疲牽停遙�。２００＜忀彫诊喗辶x銜豢蒲Ъ夜餐竦昧伺當炊錮硌Ы薄＃櫻簦酰幔潁翦澹校幔潁耄椋畹齲郟�，开展了邋ＣｅP茫醵嗖沐義夏さ難芯浚郟�，ＹE�，也发现了邋客Ｒ效应（哇E玻玻猓�，发相嵜ｕ层厚度会影响铁磁层辶x霞淶姆刺篷詈獻饔茫梅刺篷詈銑芍芷諦緣惱竦�，其数之旪x粒停掖笠誨義現(xiàn)亮礁鍪考�，这一实验硶覃为客I(yè)牡骺靨峁┝死礪酆褪笛橐讕蕁＃牽停義義閑вΦ姆⑾鄭孕繾友в朧導視τ媒裘芙岷掀鵠矗宰孕繾友У姆⒄瑰義暇哂兄卮笠庖�。辶x希保沖澹義

本文編號：2717227