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納米接觸磁隧道結中自旋轉移力矩驅動的高階傳播自旋波

來源:QUANTUM量子科學儀器貿易(北京)有限公司   2019年04月28日 16:55  

      早期的磁隧道結依靠磁場實現(xiàn)磁化翻轉,這種方式往往功耗較高,隨著工藝尺寸減小, 寫入電流將急劇增大, 難以在納米磁隧道結中推廣應用。1996年, Slonczewski和Berger從理論上預測了種被稱為自旋轉移矩(Spin Transfer Torque, STT)的純電學的磁隧道結寫入方式,克服了傳統(tǒng)磁場寫入的缺點,并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后, 自旋轉移矩在實驗上被用于實現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉[1]?;诖诵?,種新型的微波振蕩器被提出來,即自旋轉移力矩納米振蕩器(STNO),用自旋化電流誘導納米磁體磁矩翻轉,從而實現(xiàn)了微波振蕩。

 

      STNO的典型結構采用個三明治結構“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM”來實現(xiàn),因為內部阻尼的作用,為了維持自振蕩,需要106 - 108 A /cm2的大電流密度,這可以通過在三層膜上使用納米觸點對電流實現(xiàn)空間壓縮來實現(xiàn),這也是小型化磁振子器件中有效的自旋波注入器。隧穿磁電阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高個或多個數(shù)量,為了實現(xiàn)的電子自旋波讀出,磁振子器件還必須基于磁隧道結(MTJ)。

 

圖1:a.普通納米觸點振蕩器結構;b.寬邊帽納米觸點振蕩器結構;c.磁滯回線;d.磁電阻測試:內嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內磁場關系。(圖片來源: Nature Communications (2018) 9:4374)

 

      與頂部金屬層相比,MTJ隧穿勢壘的導電性相對較低,導致普通納米觸點的大橫向電流分流(圖1a)。為了使更多的電流通過MTJ,哥德堡大學物理系的J. Åkerman課題組采用了寬邊帽結構納米觸點,當MTJ覆蓋層從納米觸點向外延伸時,帽狀帽層逐漸變薄,并使用層1.5Ωm2低阻面積(RA)產品的MgO進步促進隧穿勢壘(圖1b)。

 

圖2:不同驅動電流下功率譜密度和磁場關系,a Idc= −5 mA, b Idc =−6 mA, c Idc= −7 mA, d Idc = −8 mA, e Idc = −9 mA, and f Idc =−10 mA.(圖片來源: Nature Communications (2018) 9:4374)

 

      所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點STNO相關的典型自旋波模式,在不同驅動電流下觀測到兩個二階和三階傳播自旋波模態(tài)(如圖2),這兩種模式的波長估計分別為120和74納米,比150納米觸點小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在*的頻率下工作,并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長度。

 

      值得注意的是,該研究的鐵磁共振測試使用了瑞典NanOsc公司的CryoFMR結合美國Montana公司的超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器,可以提供0.7T以上,10K~350K的變溫,以及2~40GHz的高精度鐵磁共振測試(如圖3),用戶可以快速有效的獲取阻尼系數(shù)α,以及有效磁矩 Meff,旋磁比γ,非均勻展寬ΔHo等動態(tài)磁學參數(shù),也可以表征靜態(tài)磁學性能,如飽和磁化強度Ms等。此外,NanOsc公司的FMR測試系統(tǒng)還可以搭配電磁鐵、PPMS、VersaLab等平臺進行常溫或低溫下的鐵磁共振測試。

 

圖3:CryoFMR+Montana恒溫器


      NanOsc公司注重用戶的使用體驗,許多用戶有反饋鐵磁共振測試系統(tǒng)只能固定頻率來進行磁場掃描,是否可以增加固定磁場來掃頻率的功能。經過大半年的時間,NanOsc公司完成了設備的升與測試,兩種模式下的測試結果匹配度非常高(如圖4,如需更多測試結果,請與我們聯(lián)系)。未來正式發(fā)布的新的鐵磁共振測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)固定磁場掃頻率的功能,原來已購買的系統(tǒng)可以進行付費升。

 

 

圖4 :NanOsc鐵磁共振測試10nm NiFe
上:固定頻率掃磁場模式 下:固定磁場掃頻率模式


參考文獻:
[1] 趙巍勝,王昭昊,彭守仲, 王樂知, 常亮, 張有光, STT-MRAM存儲器的研究進展.中國科學: 物理學 力學 天文學 46, 107306 (2016 )
[2] Houshang, A. , J. Åkerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374

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