垂直磁化MgO/Pt/Co異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋反射誘導(dǎo)的無場磁化開關(guān)

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垂直磁化MgO/Pt/Co異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋反射誘導(dǎo)的無場磁化開關(guān)

在這項研究中丽蝎，我們證明了MgO/Pt/Co異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的無場SOT開關(guān)猎拨，通過與介電MgO層接口來調(diào)制Pt內(nèi)的自旋反射和自旋密度迟几。通過異诚耄霍爾電壓環(huán)位移測量，我們確定在沒有外部磁場的情況下类腮，SOT作為有效的面外磁場對磁化強(qiáng)度起作用臊泰。通過替換MgO層并將其與高導(dǎo)電性Ti或Pt進(jìn)行比較，我們證實(shí)MgO確實(shí)負(fù)責(zé)無場SOT開關(guān)缸逃。此外，MgO的厚度依賴性表明厂抽，在5和8 nm之間的非常佳的開關(guān)比高達(dá)80%。這項工作提供了利用介電/HM界面處的自旋反射來實(shí)現(xiàn)無場SOT磁化開關(guān)的技術(shù)筷凤，對于開發(fā)大規(guī)模集成的SOT- mram和自旋邏輯器件具有重要意義。此外藐守，無場SOT開關(guān)器件還具有廣泛的非常規(guī)計算應(yīng)用前景挪丢，如腦啟發(fā)計算和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖1

圖1a通過在襯底/X/Pt/Co/Ti異質(zhì)結(jié)構(gòu)中襯底和Pt之間插入種子層X卢厂，展示了襯底/X和X/Pt的界面乾蓬。當(dāng)電荷電流沿Pt層x方向流動時，自旋向上和自旋向下的電子通過體SHE向相反方向散射慎恒，產(chǎn)生沿y方向排列的極化py的自旋電流。在進(jìn)入Co層后融柬，自旋電流對Co的磁矩施加抗阻尼轉(zhuǎn)矩τDL≈mx （M × py）和類場轉(zhuǎn)矩τFL≈M× py死嗦。由于Pt的自旋擴(kuò)散長度（1.6 ~ 3 nm）小于種子層的厚度X和Pt，因此基片/X界面的自旋散射可以忽略丹鸿，從而導(dǎo)致從基片/X界面反射到Co層的自旋可以忽略越走。因此棚品，在這種特殊的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中靠欢，X/Pt界面的自旋散射而不是襯底/X的自旋散射是主要的。圖1b顯示了MgO铜跑、Ti和Pt層的X/ Pt界面的各種自旋反射效應(yīng)。對于X = MgO的異質(zhì)結(jié)構(gòu)锅纺，到達(dá)MgO/Pt界面的自旋向下電子可以穿透MgO層或被反射回來掷空，然后在Pt/Co界面積累。此外护锤，自旋向上和自旋向下的電子將在Pt層內(nèi)重新排列，這將使原本由于體積she而導(dǎo)致的態(tài)自旋密度失衡酿傍。35,36從Pt （5.7 eV）和MgO （- 1.2 eV）兩種材料的功函數(shù)變化高達(dá)7 eV也可以理解MgO/Pt界面上顯著的自旋反射烙懦，這將產(chǎn)生一個從MgO層指向Pt層的內(nèi)部電場。MgO/Pt界面處存在的內(nèi)部電場會與反射自旋相互作用赤炒，導(dǎo)致自旋翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)以及自旋進(jìn)動。對于X = Ti的異質(zhì)結(jié)構(gòu)莺褒，自旋為下旋由于Ti層的高導(dǎo)電性和Pt與Ti之間的功函數(shù)變化較醒诨骸（1.4 eV），電子將被Ti層吸收遵岩，從而導(dǎo)致Ti/Pt界面處的自旋反射較小你辣。對于X = Pt的情況，沒有明顯的界面尘执，沒有考慮自旋散射绢记。

圖2

圖1c顯示了用振動樣品磁強(qiáng)計測量的襯底/MgO(5)/ Pt(3)/Co(1.4)/Ti、襯底/Ti(5)/Pt(3)/Co(1.4)/Ti和襯底/Pt(5)/Co(1.4)/Ti（厚度nm）的磁滯回線蠢熄。樣品的飽和磁化強(qiáng)度約為650 emu/cm3，沿面外Hz方向均表現(xiàn)出較高的剩余磁化強(qiáng)度炉旷，具有良好的PMA特性签孔。在電學(xué)和光學(xué)測量方面窘行，采用電子束光刻和氬離子銑削刻蝕對寬度為5 μm饥追、長度50 μm的霍爾交叉器件進(jìn)行了圖像化處理罐盔。光學(xué)圖像如圖1d所示但绕。

圖3

SOT的開關(guān)行為是通過在MgO/Pt/Co霍爾交叉器件上發(fā)送脈沖電流來實(shí)現(xiàn)的。電流I的脈沖寬度固定為5ms惶看。電流振幅從+15掃至- 15 mA，然后再回到+15 mA纬黎。通過發(fā)送470 μA的小讀電流幅骄，測量每個脈沖電流后的霍爾電壓（Vxy）。脈沖電流的間隔約為2秒本今。測量過程如圖2a所示拆座。Vxy切換曲線如圖2b所示主巍，Hx從30到?30 Oe變化挪凑。在Hx = 0 Oe時觀察到一個幾乎完全的SOT開關(guān)回路孕索。此外，當(dāng)Hx =?10 ~?20 Oe時檬果，該樣品幾乎沒有檢測到開關(guān)信號。這些結(jié)果表明唐断，存在一個有效的內(nèi)場參與了SOT的確定性開關(guān)過程选脊。開關(guān)電流Isw和開關(guān)比隨Hx的函數(shù)分別如圖2c脸甘、d所示恳啥。正如我們在在SOT框架中，開關(guān)電流隨輔助場Hx的增大而減小丹诀，而開關(guān)比隨輔助場Hx的增大而增大對于Ti/Pt/Co和Pt/Co樣品，在Hx的輔助下可以完全切換磁化強(qiáng)度铆遭。然而硝桩，在Ti/Pt/Co樣品中顯示出部分開關(guān)枚荣，而在Pt/Co樣品中觀察到在Hx = 0 Oe時沒有開關(guān)碗脊。

為了確認(rèn)MgO/Pt/Co樣品的無場開關(guān)，并進(jìn)一步了解磁化開關(guān)過程橄妆，我們利用MOKE顯微鏡捕捉了開關(guān)過程中的磁疇演變衙伶。器件在大磁場（Hz = 3000 Oe）下飽和，將磁化初始化為“上”方向害碾，并作為參考圖像捕獲。接下來慌随，在每個電流脈沖后減去參考脈沖得到以下圖像。圖2e顯示了每個脈沖電流I在零場處的克爾圖像和域狀態(tài)阁猜。在所有情況下丸逸，脈沖電流都是從左向右傳遞的，其幅度越來越大蹦漠。在MgO/Pt/Co樣品中椭员，當(dāng)電流從4ma增加到I時，一個反向結(jié)構(gòu)域首先在左上邊緣成核笛园，然后擴(kuò)展到整個條帶隘击，導(dǎo)致確定性的完全開關(guān)可視化的域演化圖如圖2e所示，為圖2b中的無場切換提供了清晰的證據(jù)研铆。

僅在MgO/Pt/Co體系中觀察到完全無場開關(guān)，而在Pt/Co體系中沒有觀察到無場開關(guān)的跡象凶赁。結(jié)果表明MgO層在自旋反射中起著重要的作用。在這種情況下逆甜，沿+py（或- py）極化的Pt層中的自旋電子被重新排列虱肄，導(dǎo)致具有面外分量的自旋極化。為了確認(rèn)面外自旋軌道轉(zhuǎn)矩對特定系統(tǒng)中無場SOT開關(guān)的存在和貢獻(xiàn)交煞，我們在不同直流電流IDC下進(jìn)行了移位Vxy回路的測量咏窿。圖3a、b分別顯示了Hx = 0和Hx = 520 Oe時MgO/Pt/Co樣品的Vxy移位回路素征。在Hx = 0 Oe時，當(dāng)IDC為7和- 7 mA時御毅，在MgO/Pt/Co樣品中觀察到明顯的Vxy環(huán)向左右移動根欧。此外，Vxy環(huán)變得傾斜端蛆，這是由于高IDC的顯著焦耳加熱。當(dāng)施加Hx = 520 Oe時今豆，位移場增大侈沪，Vxy環(huán)變窄。然而晚凿，對于Ti/Pt/Co和Pt/Co樣品亭罪，開關(guān)回路只是更窄，并且在Hx = 0 Oe時進(jìn)一步將電流增加到10 mA時沒有觀察到移位歼秽。MgO/Pt/Co中存在明顯的Vxy-H環(huán)位移应役，這與Hx = 0 Oe時沒有位移的Ti/Pt/Co和Pt/Co樣品的結(jié)果不同燥筷，清楚地證實(shí)了沒有外場的有限SOT的存在箩祥。此外，當(dāng)電流小于±6 mA時肆氓，MgO/ Pt/Co中未檢測到明顯的位移袍祖，當(dāng)電流增加到±7 mA時谢揪，觀察到突然的位移蕉陋，這與先前報道的具有面外自旋力矩分量的自旋電流存在的系統(tǒng)相似在IDC下，Hx = 0和Hx = 520 Oe的移位字段Hshift總結(jié)在圖3c中凳鬓。圖3d顯示了Hx = 520 Oe時MgO/Pt/ Co茁肠、Ti/Pt/Co和Pt/Co樣品的Hshift比較結(jié)果。Hshift與IDC之間的線性斜率可以定量表征SOT效率MgO/Pt/Co樣品的斜率為7.9±0.96 （Oe/mA）垦梆。用于Ti/Pt/Co和Pt/Co樣品的斜率分別為13.5±1.03 （Oe/mA）和8.4±0.93 （Oe/mA）仅孩。MgO/Pt/Co樣品的環(huán)移結(jié)果顯示SOT效率較低托猩，這歸因于MgO/Pt界面的自旋反射更強(qiáng)，導(dǎo)致Pt/Co界面的凈自旋補(bǔ)償辽慕。此外京腥，我們還通過掃描面內(nèi)磁場進(jìn)行諧波測量，以進(jìn)一步研究自旋扭矩效率鼻百。

此外，我們調(diào)整了MgO的厚度温艇，通過在Hx = 0 Oe時進(jìn)行諧波測量和電流感應(yīng)開關(guān)回路來研究對開關(guān)效率的影響因悲。在1 ~ 10 nm范圍內(nèi)，不同厚度的MgO樣品均表現(xiàn)出良好的PMA勺爱，表示為MgO (tMgO nm)/Pt/Co晃琳。上下磁化之間霍爾電壓（ΔVxy = VU?VD）的差異幾乎是相當(dāng)?shù)摹Ｋ蠱gO/Pt/Co樣品均有一個清晰的MgO（200）峰琐鲁，通過X射線衍射（XRD）掃描證實(shí)卫旱，表明MgO具有良好的結(jié)晶質(zhì)量围段。然而顾翼，當(dāng)tMgO = 1 nm時，MgO/Pt/Co樣品在MgO（111）上仍然可以觀察到一個微弱的峰奈泪，這表明1 nm太薄适贸，MgO無法形成良好的單晶涝桅。圖4a為用tMgO對流動Pt重金屬層的DL場和FL場隨電流密度的增量提取的類阻尼（DL）場效率χDL和類場（FL）場效率χFL結(jié)果。當(dāng)tMgO = 1 nm時冯遂，χDL約為3.3 Oe/(1010 A/m2)蕊肥，與未添加MgO的對照樣品Pt (3 nm)/Co（用黃色星星表示）基本相當(dāng)。隨著tMgO的增加蛤肌，χDL下降至2.7 Oe/(1010 a /m2)。同時儒洛，χFL增強(qiáng)到1.2 Oe/（1010 A/m2）由于Rashba場精耐，插入1 nm的MgO層（用綠星表示）狼速。χ 2在tMgO大于5 nm時琅锻，fl幾乎保持在0.9 Oe/(1010 A/m2)。χDL的遞減可擬合為式中tMgO的函數(shù)向胡。

式中恼蓬，χPt為3nm Pt重金屬層的深射效率，χref為插入MgO種子層后自旋反射的深射效率僵芹，λp為描述MgO中自旋穿透長度的參數(shù)处硬。擬合參數(shù)λp約為0.9 nm，當(dāng)tMgO大于3.8 nm時拇派，自旋反射對χDL的貢獻(xiàn)達(dá)到飽和荷辕。χref/χPt = 25%， χref/χPt對深度轉(zhuǎn)換效率的飽和貢獻(xiàn)為0.92 Oe/(1010 A/m2)疮方，證明了MgO/Pt的自旋反射對整體深度轉(zhuǎn)換效率起著重要作用，特別是對于薄Pt體系茧彤。不同tMgO下的SOT效率也可以通過位移場Hshift來估計骡显。

圖4

此后曾掂，我們仔細(xì)考慮了反射自旋對SOT開關(guān)和效率的影響惫谤。如圖4b所示珠洗，具有特定自旋方向的電子以不同的機(jī)制（標(biāo)記為a溜歪， B和C）從MgO層的不同深度反射。除了MgO/Pt界面的直接自旋反射（標(biāo)記為機(jī)制a）外许蓖，自旋可能通過隧道穿透到MgO層中通過插入MgO層蝴猪，襯底與Pt之間的界面將從襯底/Pt變?yōu)镸gO/Pt，從而導(dǎo)致界面Rashba場的調(diào)制蛔糯。此外，由于兩種介質(zhì)的化學(xué)勢不同蚁飒，襯底與MgO之間形成了具有界面電場（i-EF）區(qū)的界面。這些綜合效應(yīng)對MgO/Pt/Co異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自旋輸運(yùn)和SOT效率起調(diào)節(jié)作用淮逻。在tMgO = 1 nm處阁簸，加入較薄的MgO層后，DL效率降低哼丈，F(xiàn)L效率明顯提高启妹。隨著tMgO的增加，自旋隧穿效應(yīng)被抑制醉旦，隧穿概率較低饶米，導(dǎo)致自旋反射增加，機(jī)制b表明车胡，自旋方向相反的反射自旋部分抵消了Pt/Co界面處的自旋積累檬输，導(dǎo)致SOT效率降低。對于較厚的MgO層（tMgO為bb0 ~ 4nm）丧慈，即自旋隧穿飽和深度，大部分自旋不能進(jìn)一步穿透到MgO層中主卫，而是到達(dá)具有i-EF的區(qū)域逃默。自旋將以新的方向翻轉(zhuǎn)（用C標(biāo)記），并導(dǎo)致Pt層中狀態(tài)的自旋密度發(fā)生改變簇搅，從而產(chǎn)生具有面外成分的SOT完域。當(dāng)插入更厚的MgO層時，自旋不能達(dá)到i-EF區(qū)馍资，其穿透長度約為3 ~ 4 nm筒主。自旋只能在不改變方向的情況下被反射。因此鸟蟹，當(dāng)tMgO波長為4nm時建钥，DL效率是飽和的藤韵，并且僅在tMgO波長為5 ~ 8nm時觀察到無場磁化開關(guān)熊经，如圖4c所示泽艘。

圖4d總結(jié)了從開關(guān)回路中提取的開關(guān)比，定義為ΔVxy/ΔVH镐依。對同一裝置進(jìn)行10次測量匹涮，得到誤差條。在tMgO < 5 nm的MgO/Pt/Co樣品中槐壳，獲得了低于25%的低開關(guān)比然低，并且在沒有外場的情況下沒有觀察到確定性開關(guān)。反射的電子自旋在較薄的氧化鎂層內(nèi)相對受限带兜。因此，對無場確定性切換的貢獻(xiàn)是不夠的吨灭。隨著MgO厚度的增加刚照，開關(guān)比增大。在MgO/Pt/Co樣品中觀察到更高的開關(guān)比喧兄，其中tMgO在5 ~ 8 nm范圍內(nèi)，表明在該厚度范圍內(nèi)可以獲得明顯的無場開關(guān)繁莹。MgO層越厚檩互，開關(guān)比開始減小特幔。我們已經(jīng)證實(shí)了重金屬下面的底部界面對自旋產(chǎn)生和磁化開關(guān)有顯著的影響咨演，這在以往的研究中沒有得到充分的評價。高效率的無場SOT器件可以通過采用不同類型和厚度的種子層來保證自旋反射蚯斯，同時保持較高的SOT效率。

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