电流感生自旋-轨道力矩磁开关在大周向各向异性L₁₀FePt单层中的研究

工程12（2022）55研究材料科学与工程-文章大周向各向异性L_（10）FePt单层中电流感生自旋-轨道力矩磁开关开封董a、b，孙超a、b，朱来哲a、b，焦依依a、b，陶英a、b，胡欣a、b，李若凡c，张帅c，Zhe Guoc，Shijiang Luoc，Xiaofei Yangc，Shaoping Lid，Long Youc，e，f，XiaofeiYang ca中国地质大学自动化学院，武汉430074b中国地质大学复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室，武汉430074c华中科技大学光电信息学院，武汉430074d华润微电子有限公司，上海200072，中国e深圳华中科技大学研究院，深圳518000华中科技大学国家强磁场中心，武汉430074阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2021年9月1日修订2021年9月12日接受在线提供2022年保留字：L10 FePtSOT反转不对称性磁开关周向各向异性A B S T R A C T在单层L1 0 FePt中，通过自旋轨道矩（SOT）实现了基于电流感生部分磁化的开关，其垂直各向异性（Ku 1）为1.19 × 10 7 erg·cm-3（1 erg·cm- 3 = 0.1J· m - 3），相应的SOT效率（bDL）为8 × 10 - 6 Oe ·（A · cm - 2）- 1（1Oe = 79.57747A·m-1），比以往报道的传统Ta/CoFeB/MgO结构高出数倍. FePt薄膜中的SOT起源于FePt薄膜中的结构反转不对称性，因为位错和缺陷在样品中不均匀地分布。此外，在MgO颗粒结构上生长的FePt比在SrTiO3（STO）连续结构上生长的FePt具有更大的有效SOT场和SOT效率被发现是相当依赖于不仅溅射温度引起的化学有序，但也晶格失配引起的演变的微观结构。我们的研究结果可以提供一个有用的手段，有效地电气控制的磁性位，是高度热稳定通过SOT。©2021 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍一种简单而有效的方法来重新取向具有高磁各向异性能的薄膜的磁化强度，对于现代信息技术的进一步发展是非常需要的[1，2]。与通过磁场的磁化切换相比，电流感应自旋扭矩切换实现了更高的存储密度、更快的写入速度和更低的能耗[3，4]。通过电流诱导的自旋轨道矩（SOT）对铁磁（FM）纳米结构中的磁化进行电操纵通常，SOT被认为是源自自旋电流（J s）的自旋转移力矩，该自旋电流（Js）经由自旋-轨道效应（诸如自旋霍尔效应（SHE）和Rashba-Edelstein效应）从电荷电流转换而来*通讯作者。电子邮件地址：lyou@hust.edu.cn（L. 你）。L10相中的FePt具有过渡金属化合物中最高的垂直磁晶各向异性之一，这使得具有足够热稳定性的存储器单元能够按比例缩小到5nm[14，15]。然而，反转L10FePt的磁化是极其具有挑战性的。虽然不同的策略，如能量辅助磁记录，电压控制，和探针为基础的自旋注入，已被提出来缓解磁化切换的L10 FePt，主要问题方面，ING可靠性，兼容性和效率，防止实际应用。从L10 FePt的高磁各向异性机制来看，主要是由于自旋角动量与轨道角动量的强耦合以及Pt 5d电子与Fe 3d电子的杂化.SOC也是最近发现的SOT效应的前提，这为可能的电操纵L10FePt的磁化开辟了新的途径。最近的一些工作证明了在L10FePt单层中的电流诱导的垂直磁化切换[16这些发现可以成为一种高效率的磁性材料SOT开关方法的指导，https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.0182095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engK. 东角，澳-地孙湖，澳-地Zhu等人工程12（2022）5556-各向异性能然而，微观结构对SOT性能的影响尚未得到系统的研究。实际上，不同的微观结构会导致不同的晶体各向异性和化学有序性，从而导致SOT性能的差异. FePt薄膜的微观结构对SOT性能的影响还有待进一步研究。为了这个目的，在这项工作中，电流感应的SOT开关的磁化是实现在FePt单层。本文系统地研究了在不同衬底和不同生长温度下生长的图形化FePt薄膜的有效场。通过改变生长温度和衬底，获得了不同结构的垂直磁化FePt薄膜.我们发现，SOT效率在FePt单层显着依赖于薄膜的微观结构。2. 实验使用具有不同膜生长温度和衬底的四种类型的样品：FePt 10 nm（300 °C）/MgO衬底（样品I）、FePt 10 nm（400 ° C）/MgO衬底（样品II）、FePt 10 nm（400°C）/MgO衬底（样品 II）、FePt 10nm（400 °C）/MgO衬底（样品II）和FePt 10 nm（400°C）/MgO衬底（样品II）。样品III）和FePt 10 nm（400 ° C）/SrTiO3（STO）衬底（样品IV）。薄膜是用真空磁控溅射系统淀积的，它们的叠层如图1所示。 1（a）. 然后，它们被制成长度为20-45 l m的霍尔条微结构检测，使用紫外光刻，然后氩离子蚀刻。Pt电极沉积在霍尔棒的四个端部以便于电测量。我们给设备分配了与相应样本相同的序列号，都是捏造的 图图1（b）示出了器件的示意图，示出了具有坐标系定义的霍尔条结构的示意图，以及图1（c）示出了装置的光学图像。异常霍尔效应（AHE）和电流感应磁化切换测量使用自制装置进行，其中Keithley 2602B（USA）作为电流源表，Keithley 2182作为纳电压表。脉搏硬脑膜-T1n被设置为12ms。施加小电流（1001 A），每个脉冲电流测量异常霍尔电阻（RH）。器件的有效SOT场由谐波电压分析系统测量。在测量期间，将低频交流电（AC）施加到霍尔条的电流AC频率为317.3 Hz。利用电流源相位发生器的外部触发功能，对锁定放大器的输入通道和参考通道进行锁定。霍尔条的电压路径连接到两个锁定放大器，以测量谐波霍尔电压的第一和第二通过使用透射电子显微镜（TEM，FEI Titan Themis 200 TEM，USA）进行膜的微结构表征和能量分散X射线（EDX，Bruker super-X3. 结果和讨论图图1（d）示出了图案化的400 °CFePt 10 nm/MgO和FePt 10nm/STO膜的AHE测量。两种图案化膜均表现出优异的垂直各向异性。M-H环（图图1（e）和（f））的结果与AHE结果一致。低放大率横截面TEM图像显示，FePt图1.一、（a）膜堆叠结构;（b）具有坐标系的霍尔棒的示意图;（c）器件的光学显微镜图像;（d）FePt 10 nm/MgO和FePt 10 nm/STO膜的AHE环;（e，f）（e）FePt 10nm/MgO和（f）FePt 10 nm/STO膜的M-H环 所有的薄膜都在400 °C的温度下生长。（e）和（f）中的插图显示了相应的低放大率横截面TEM图像。1 Oe = 79.57747A·m-1;1emu·cm-3 = 1×103A·m-1。K. 东角，澳-地孙湖，澳-地Zhu等人工程12（2022）5557S·×···×在MgO上生长的薄膜具有岛状结构（图1（e）中的插图），而在STO上生长的FePt薄膜具有连续结构（图1（e）中的插图）。 1（f））。此外，垂直各向异性（Ku1）可以由Ku1=MsHk/2 +2pM2计算，其中Ms饱和Hk是磁各向异性场（通过外推难磁化轴环）。计算出的Ku1值分别为9.8 × 106 ergcm-3（1ergcm-3 =0.1Jm-3）（MgO）和9.4106 erg cm-3（STO），如表1所示，其远大于使用其他材料（如CoFeB[6，7]、Co[8-10]、CoNi[11]和CoFe [12]）的SOT器件所报告在MgO上生长的FePt膜比在STO上生长的FePt膜具有更好的化学有序性和垂直各向异性，这可以归因于晶格失配引起的微结构演变[20]。由400°C FePt 10 nm/MgO和FePt 10 nm/ STO膜制成的样品（样品II和IV）中的电流诱导磁化翻转具有不同的外部面内场（HX），范围为-1000至1000 Oe（1 Oe = 79.57747 A·m-1），见图2。这里，Hx用于破坏扭矩对称性。为了阐明开关演化，我们使用红色八角星符号表示磁化的初始状态，并使用箭头表示图中的开关方向。 二、部分磁化切换是通过扫描两个设备中的脉冲电流来实现的。这些结果表明，在具有高各向异性能的材料中可以实现（高垂直各向异性和厚磁膜）。此外，一旦外部磁场反转，开关回路的极性反转，并且在没有外部磁场的情况下不会发生开关。这种现象是典型的SOT诱导的开关行为，类似于在重金属（HM）/FM双层中发现的开关行为，这与先前工作的结果一致[16]。在H_（opt）约为0.05时，开关比q_sw分别为2.5%和3.2500 Oe（样品II，图2（a））和约1000 Oe（样品IV，图2（b））。在此，qsw被定义为DRI/DRH的比率（DRI表示电流感应开关期间AHE电阻变化，DRH表示在平面外场扫描期间的AHE电阻变化），H_opt是最佳施加的平面内场。对于生长在STO衬底上的膜，与生长在MgO衬底上的膜相比，需要更大的HX开关比qsw小于以前的工作[16，18，19]中报告的开关比。在Tang等人的工作中。[19]，最大切换比约为对于4 nm厚的FePt膜为24%。此外，发现开关比受FePt膜厚度（4-220 nm）的影响。FePt膜越薄，开关比越大。然而，在Liu等人的工作中。[16]，FePt 6 nm和FePt 20 nm似乎具有相似的20%的开关比，其不依赖于FePt厚度。此外，Zheng等人[18]发现，表1四个FePt膜的I（001）/I（002）、面外磁化率Hc1、磁各向异性场Hk、饱和磁化强度Ms、垂直各向异性Ku1和SOT效率bDL的总结样品I（001）/I（002）Hc\（kOe）Hk（kOe）Ms（emu·cm-3）Ku×107erg·cm-3bDL（×10- 6Oe·（A·cm-2）-1）我-0.247.906410.45-II0.852.1113.718210.984.2III1.185.2116.628671.198.0IV0.521.5511.188610.941.3图二、在400 °C的生长温度下，对于（a）FePt 10 nm/MgO和（b）FePt 10 nm/STO，具有不同外部场H x的FePt膜的电流感生磁化翻转。K. 东角，澳-地孙湖，澳-地Zhu等人工程12（2022）55581- 4n22开关比强烈地依赖于化学有序性，并且可以从具有更多无序性的3nm厚的FePt膜获得更大的开关比。最大转换率约为88%。综合以上工作，得出了开关比受微结构、磁性能、厚度等多种因素影响的结论，但有些结论并不一致。此外，霍尔条结构中的缺陷也会影响开关比[21]。霍尔十字中心的电流密度降低以及来自磁性霍尔臂的额外钉扎也将降低开关比。此外，关键切换测量谐波霍尔电压以定量分析样品的SOT效率（图3）。图3（a）示出了测量设置。 作为代表性示例，图1A和1B示出了图1A和图1B的示例。 3（c）-（f）显 示 了 在 400°C 下 制 备 的 单 层 FePt/MgO 的 一 次 （ Vx ） 和 二 次（V2x）谐波信号的典型测量结果，其中所施加的磁场沿xy方向。SOT被认为具有类阻尼扭矩和类场扭矩的特征，相应的有效场DHDL和DHFL由下式计算：二、Bx2nBy电流密度（JC），定义为电流值（1）当RH开始变化时，DHDL¼-1- 4n21向上开关），在STO衬底上生长的FePt膜的小于在相同的面内场下在MgO衬底上生长的FePt膜的。二、By2nBx图3.第三章。（a）FePt膜中的自旋-轨道有效场（D H DL和D H FL）的示意图（b）FePt膜中不同电流密度下的SOT有效场的总结（外磁场HX和HY沿（c，e）x方向和（d，f）y方向扫描DHFL¼-K. 东角，澳-地孙湖，澳-地Zhu等人工程12（2022）5559-× ×·×··×··×··@Hx@H2@Hy@H2RH其中B1/4。@V2x=.@2VxV，BX1/4。@V2x=.在2VxV时，n¼RP为比值yFePt（001）、（002）和（003）峰的联系增加，强度比I（001）/I（002）增加（I（001）/I（002）为约0.85，平面霍尔电阻（RP）与样品的反常霍尔电阻（RH）的比值[8，22]。考虑到FePt的平面霍尔电阻小到可以忽略不计（详见附录A中的图S1），将n设置为0。有效SOT场与并且由400 °C FePt 10 nm/MgO和FePt 10nm/STO膜制成的霍尔器件的AC密度总结在图3（b）中。结果表明，在两种FePt中均存在有效的SOT场样品，且DHDL大于DHFL，表明类阻尼扭矩在单层FePt中占主导地位更多-在MgO衬底上生长的FePt薄膜的有效SOT场大于在STO衬底上生长的薄膜的有效SOT场（图3（b））。我们进一步评估了SOT效率bDL，定义为DHDL/J。 两种器件的bDL值均为4.2×10- 6Oe·（A·cm-2）-1（MgO衬底上）和1.3× 10- 6Oe·（A·cm-2）-1(on STO衬底）。这验证了L10FePt中的高SOT效率。在刘等人的工作[16]，在STO、MgO和TiN/MgO上生长的20 nm FePt膜的bDL具有相似的值，这是由于这三种膜具有相同的然而，在STO和MgO上生长的10nm FePt薄膜的bDL因此，晶格失配引起的微结构仍然会影响化学有序性，从而影响SOT效率。在MgO衬底上生长的颗粒结构FePt薄膜的DHDL、DHFL和bDL值比在STO衬底上生长的薄膜的DHFL和bDL值具有连续结构衬底。为了系统地研究化学有序化对SOT性能的影响，在MgO衬底上用不同的溅射温度制备了FePt薄膜。 在300 °C（样品I）和500 °C（样品III）下生长的样品的AHE和MH环示于图1A和1B中。4（a）-（c）。重新检查在400 °C下生长的样品（样品II）的磁性，我们可以看到，当溅射温度超过400 °C时，MgO衬底上的膜表现出优异的垂直各向异性。由于不同的相干带混合效应，具有巨大无序的FePt膜（300 °C，样品I）具有比更有序的FePt膜（400 °C，样品II; 500 °C，样品III）更 大的 霍 尔 电 阻 RH [17]。随着溅射温度的升高，样品II的生长温度为400 °C，I（001）/I（002）约为1.18对于样品III，生长温度为500 °C），表明（001）织构以及由此的化学有序性得到改善（详见附录A中的图S2）。计算的Ku也从4.5增加到4.5。106至1.1910 7 erg cm-3时，溅射温度从300 °C增加到500 °C。随着溅射温度的升高，薄膜的（001）织构得到改善，这是由于薄膜的化学有序性和垂直各向异性得到改善。 还通过扫描样品I和III中的脉冲电流来实现部分磁化切换，如图1A和1B所示。4（d）和（e）。切换比qsw分别为0.8%，2.5%，和6.6%的样品I，II和III，在最佳应用面内场Hopt约500 Oe（样品I和II）和约1000 Oe（样品III）。此外，临界开关电流密度JC的样品表现出显着的差异，但不是单调相关的薄膜生长温度。为了阐明H x对JC的影响，样品I（300 °C，在MgO衬底上）的JC作为H x的函数总结在图12中。 5（a）. JC明显下降，增加HX，类似的结果从李等。[23]第10段。测量了500 °C FePt 10 nm/MgO薄膜在不同电流密度下的SOT有效场（详见附录A中的图S3），并总结在图S3中。 5（b）. 效果-由于不完善的垂直磁各向异性，未测量样品I（300 °C）的磁场。DHDL，DHFL，和bDL（8 10- 6 Oe（A cm-2）-1）随溅射温度的升高而增大。注意，bDL的值为8，10-6 Oe（A cm-2）-1在500 °C下制备的MgO衬底上的单层FePt中，(6.5 10-6 Oe（A cm-2）-1）[16]。将该结果与表1中的结果相结合，可以看出有效SOT受到化学有序性和垂直各向异性的强烈影响，并且具有更高化学有序性和垂直各向异性的FePt膜具有更大的SOT有效场和高效SOT。为了研究FePt中SOT的起源，进行了TEM测量 图图 6（a）显示了一个 高倍放大的十字架-图四、（ a）FePt 10 nm/MgO膜的AHE环，生长温度为300和500 °C。（b，c）具有（b）300 °C和（c）500 °C的溅射温度的FePt 10 nm/MgO膜的M-H环。对于生长温度为（d）300 °C和（e）500 °C的FePt 10 nm/MgO薄膜，在不同外场H x下FePt薄膜的电流诱导磁化翻转。XyK. 东角，澳-地孙湖，澳-地Zhu等人工程12（2022）5560图五、（ a）对于生长温度为300 °C的FePt 10 nm/MgO膜，J C作为H x的函数;（b）生长温度为500 °C的FePt 10 nm/MgO膜中在不同电流密度下的SOT有效场的总结。见图6。对于在500 °C的生长温度下在MgO衬底上生长的FePt IOnm：（a）FePt和MgO层的高分辨率TEM横截面图像;（b）FePt和MgO层的对应SAED图案;（c）选定区域的快速傅里叶逆变换（IFFT）图像;（d）低放大率横截面TEM图像;以及（e，f）（e）Fe和（f）Pt和Mg原子的选定区域的EDX映射分析。L、m和k表示X射线的不同线系列在 500 °C 下 制 备 的 单 层 FePt 10 nm/MgO 的 截 面 TEM 图 像 。(001)FePt晶粒明显外延生长在(200)织构化MgO衬底。通过将这些测量结果与FePt和MgO的相应选区电子衍射（SAED）图相结合， 6（b）），它们之间的外延关系被确认为FePt（001）<100>|| MgO（001）<200>，类似于我们以前的结果[20]。所有这些结果表明FePt薄膜具有良好的（001）织构。此外，在界面处形成位错以释放应变能（图6（c），标记为此外，尽管具有良好的（001）织构，但在FePt膜中观察到一些缺陷（图6（c），由红色圆圈 标 记 ） 。 此 外 ， 在 MgO 上 生 长 的 FePt 膜 具 有 岛 状 结 构 （ 图 6（d）），不同于在STO上生长的FePt膜[20]。这一结果与图1中磁滞回线斜率的结果一致。1.一、Fe、Pt和Mg原子的选定区域的EDX映射分析示于图1A和1B中。6（e）和（f）。这些结果表明，一些Mg原子扩散到FePt膜中，这可能导致缺陷的形成，如图6（c）所示。从最近的报道来看，SOT只能在晶体结构中具有非中心对称空间群（体反转不对称）或非中心对称位置点群（局部结构反转不对称）的在这项研究中，L10FePt生长在MgO或STO衬底上仍然可以通过电流切换。在我们的情况下，位错和缺陷在样品中分布不均匀（详见附录A中的图S4），这导致FePt薄膜中的因此，可以在单层FePt中产生SOTK. 东角，澳-地孙湖，澳-地Zhu等人工程12（2022）5561×··4. 结论总之，我们观察到电流感应磁开关通过SOT在L10 FePt单层。在MgO上生长的FePt薄膜具有较大的垂直各向异性和较大的SOT有效场。SOT效率主要取决于化学有序性和晶格失配引起的微结构演化SOT效率高，在10 nm厚的FePt层上获得了810- 6 Oe（Acm-2）-1的高垂直各向异性，这意味着它在具有高热稳定性和高存储密度的磁存储和逻辑器件中具有潜在的应用本文对电流诱导磁化翻转的机理和性能进行了研究，为今后的研究提供了参考。致谢本 工 作 得 到 了 国 家 重 点 研 究 发 展 计 划 的 资 助（2020AAA0109005），国家自然科学基金（61674062、51501168、41574175和41204083），中国地质大学（武汉）中央高校基础研究基金（CUG150632和CUGL160414），中国地质大学（武汉）全国高校基 础 研 究 基 金 ， 武 汉 国 家 强 磁 场 中 心 交 叉 学 科 项 目 （ WHMFC202119）、华中科技大学、深圳虚拟大学园基金（2021Szvup091）。遵守道德操守准则Kaifeng Dong、Chao Sun、Laizhe Zhu、Yiyi Jiao、Ying Tao、Xin Hu、Ruofan Li、Shuai Zhang、Zhang Guo、Shijiang Luo、Xiaofei Yang、Shaoping Li和Long You声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。附录A.补充数据本文的补充数据可在https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.018上找到。引用[1] 张文，张文军，等.垂直轴向磁场的旋转力矩转换|CoFeB| MgO基磁性隧道结应用物理学报2011;98（2）：022501.[2] 作者：Jiang Jiang，Jiang Jiang，Jiang Jiang，Jiang Jiang. 自旋-轨道力矩的最新进展：走向器件应用。应用物理学修订版2018;5（3）：031107。[3] Miron IM，Garello K，Gaudin G，Zermarten PJ，Costache MV，Auffret S，等.面内电流注入引起的单铁磁层的周期性开关。Nature2011;476（7359）：189-93.[4] Liu L，Pai CF，Li Y，Tseng HW，Ralph DC，Buhrman RA.利用钽 的 巨 自 旋霍 尔 效 应 实 现 自 旋 力 矩 开 关 。 Science 2012;336（6081）：555-8.[5] 刘丽，周春，舒欣，李春，赵涛，林伟，等。垂直磁化的对称性相关无场开关。NatNanotechnol 2021;16（3）：277-82.[6] SchulzT，Lee K，Krüger B，Lo Conte R，Karnad GV，Garcia K，等. 利用全角度自旋-轨道力矩磁力学依赖性进行有效场分析。Phys Rev B 2017;95（22）：224409。[7] Qiu X，Deorani P，Narayanapillai K，Lee KS，Lee KJ，Lee HW，et al. 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