基于自旋軌道力矩效應全電學操控磁矩翻轉和信息寫入

　　如何利用全電學方法實現磁性薄膜的確定性磁矩翻轉，一直是研發自旋電子學器件的挑戰性難題之一。隨著研究的不斷深入，實現磁矩確定性翻轉的方式發生了階躍性的變化，極大地推動了自旋電子學核心器件——磁隨機存儲器(MRAM)更新換代式的遞進發展。磁隨機存儲器是最具大規模產業化前景的新一代非易失性存儲器之一，它采用磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)作為存儲單元。如第一代磁場驅動型磁隨機存儲器(Field-MRAM)是以脈沖電流產生的奧斯特場驅動磁性隧道結自由層的磁矩翻轉和實現信息的寫入操作；第二代自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque, STT)型磁隨機存儲器(STT-MRAM)是基于脈沖自旋極化電流產生的STT效應來驅動磁性隧道結自由層的磁矩翻轉和信息寫入，其功耗可以顯著降低；而第三代自旋軌道力矩(Spin-Orbit Torque，SOT)型磁隨機存儲器(SOT-MRAM)是利用自旋流產生的SOT效應作為信息寫入方式，即保持了MRAM高速度和低功耗等優異特性，又實現了讀寫路徑的分離，更有利于提高器件的抗擊穿和長壽命等性能。

　　目前對于采用性能優異的具有垂直磁各向異性的磁性隧道結作為基本存儲單元的SOT-MRAM設計，一般需要在特定方向上外加磁場的幫助下，才能夠實現磁性隧道結中垂直自由層的確定性磁矩翻轉和信息寫入。因此，如何依靠SOT效應和全電學操控方法來實現MTJ垂直自由層的磁矩翻轉，成為國際上推動SOT-MRAM器件能否進入產業化的關鍵瓶頸問題之一。

　　針對這個難題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組研究員韓秀峰團隊探索出具有T型磁結構的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的反鐵磁耦合薄膜體系，可以用來實現兩種SOT效應驅動垂直自由層磁矩翻轉的全電學操控模式：Z型翻轉模式和T型翻轉模式。T型磁結構是指兩個分別具有面內磁各向異性的CoFeB和具有垂直磁各向異性的CoFeB薄膜，通過中間Ta插層的層間相互作用耦合在一起。這種層間耦合結構可以作為復合自由層直接嵌入垂直磁性隧道結的結構設計之中，并實現基于SOT效應的全電學操控磁矩翻轉。在Z型翻轉模式中，當電流沿面內易磁化方向(易軸)施加時，具有垂直磁各向異性的CoFeB薄膜(垂直層磁矩)不僅感受到了來自Ta層中的自旋軌道力矩(SOT)，還感受到了具有面內磁各向異性CoFeB薄膜(面內層磁矩)提供的平行于電流方向的等效磁場，因此垂直CoFeB薄膜能夠發生Z類型的SOT磁矩翻轉，且磁矩翻轉的極性（順時針或逆時針）受水平磁矩取向的控制。在T型翻轉模式中，垂直層磁矩偏離Z軸向Y方向有一個小的傾角(見圖1b)。當沿面內難磁化方向(難軸)施加電流時，此時單獨的垂直層磁矩已經不再滿足SOT翻轉的對稱性條件。但是，此時面內層磁矩在SOT驅動下可以發生180°的確定性翻轉。考慮到垂直層和面內層磁矩之間存在交換耦合效應，面內層磁矩翻轉的同時會帶動垂直層磁矩的翻轉，這種在T型磁結構中發現的通過面內層磁矩翻轉帶動垂直層磁矩翻轉的新型SOT模式，被命名為T型SOT翻轉模式。

　　另一方面，在垂直-垂直磁矩耦合的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO薄膜結構中，通過二階諧波測量，超薄Ta層的自旋霍爾角被測量出來，其大小為0.15±0.013；其磁結構的測量顯示，中間Ta層提供了較強的層間交換作用和耦合效應，使得兩層具有垂直各向異性的CoFeB薄膜很好地耦合在一起。證明Ta中間層能夠提供較強的自旋霍爾效應和層間耦合效應，實現SOT高效地驅動磁矩翻轉。

　　因此，該研究團隊通過Ta層的SOT和層間耦合效應，在與磁性隧道結材料體系相兼容的垂直-面內磁矩耦合的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO薄膜結構中所實現的零磁場下兩種全電學操控磁矩翻轉模式，對開發實用型的數據非易失性SOT-MRAM和多功能可編程的自旋邏輯等自旋電子器件，提供了一種非常好的適用材料體系和器件工作原理。尤其是T型翻轉模式的提出，可實現在同一個電流操控下垂直和面內兩層薄膜磁矩的同時翻轉，將有益于實現對復雜體系磁結構的更加有效和多樣化的室溫量子調控。

　　該項工作的最新相關研究進展已發表在《自然-通訊》上（Nat. Commun. 10, 233 (2019)）。該工作得到國家自然科學基金委、科技部和中科院的支持。