垂直磁各向異性Co/Pt多層膜在自旋電子學中的應用

劉帥，云霞

垂直磁各向異性Co/Pt多層膜在自旋電子學中的應用

劉帥，云霞

（北京工商大學物理系，北京 100048）

隨著電子學的發展，人們對電子元件的尺寸、功耗和信息處理速度等指標均提出了更高的要求。而材料是制備各種電子元器件的基礎，其中Co/Pt多層膜以其良好的垂直磁各向異性等優點而備受人們的關注。到目前為止，人們已經成功把垂直磁各向異性Co/Pt多層膜應用到了磁記錄、自旋閥、磁隧道結、反常霍爾元件、疇壁移動自旋器件、磁性斯格明子、自旋軌道矩元件等領域，并獲得了優異的性能。

Co/Pt多層膜；垂直磁各向異性；自旋閥；磁隧道結

1 引言

在傳統電子學中，人們重點利用的是電子的電荷屬性，20世紀80年代末發現的巨磁電阻效應開辟了人類對電子的另一重要屬性——自旋屬性操縱的新紀元。之后人們把電子的自旋屬性和電荷屬性進行有機結合，進而開創了一個嶄新的研究領域——自旋電子學[1]。時至今日，自旋電子學經過30年的發展已經取得了舉世矚目的成就，如高密度計算機硬盤、高性能非揮發磁隨機存儲器等。兩位巨磁電阻的發現者也因此而獲得了2007年的諾貝爾物理獎。

要想制備出高性能的自旋電子學器件，首先要有高性能的材料，所以歸根到底，材料才是整個自旋電子學發展的基礎。自旋電子學中常用的材料包括過渡金屬Fe、Co、Ni以及它們與各種非磁金屬、氧化物等復合而成的材料體系。這其中Co/Pt多層膜體系以其良好的垂直磁各向異性、容易調制的各種磁性參數以及大自旋軌道耦合效應等優點而在自旋電子學中得到了廣泛引用。

2 Co/Pt多層膜及其性能特點

1988年CARCIA發現，在用磁控濺射生長的Co/Pt周期性多層膜中，當Co層厚度小于1.4 nm時，多層膜可具有垂直磁各向異性[2]。Co/Pt周期性多層膜的幾何結構如圖1所示，Co/Pt多層膜垂直和平行薄膜表面方向的磁滯回線如圖2所示，可以看到多層膜有非常好的垂直磁各向異性。

Co/Pt多層膜之所以在自旋電子學中被廣泛應用是由于它具有以下幾方面的優良性質：多層膜的有效磁各向異性常數Keff可高達106erg/cm3量級；可以通過簡單調節周期膜中Co層厚度、Pt層厚度、周期數等因素調控多層膜的磁性，例如矯頑力、飽和場等；Pt層的自旋流很強，所以可以通過高效的自旋軌道矩翻轉磁性層的磁矩；除了在磁學中常用的磁場和電流外，還可以通過電壓、激光脈沖等手段調控Co/Pt多層膜的磁性。

圖1 Co/Pt多層膜結構示意圖

圖2 Co/Pt多層膜垂直和平行膜面方向的磁滯回線

3 Co/Pt多層膜在自旋電子學中的應用

3.1 磁光記錄介質和垂直磁記錄介質

Co/Pt多層膜在短波長（＜500 nm）范圍有很大的磁光科爾效應，這為高磁光記錄密度的實現提供了可能[3]。除了磁光記錄介質，Co/Pt多層膜還可作為垂直磁記錄介質儲存信息。目前，人們已經制備出了垂直磁各向異性常數為10×106erg/cm3，矯頑力高達4.7 kOe的可作為垂直磁記錄介質的Co/Pt多層膜，進一步在Pt底層和玻璃基片之間插入FeTaC軟磁層可使矯頑力提高到5.8 kOe。Co/Pt多層膜的高垂直磁各向異性常數和較薄的記錄層厚度使其很有前景成為下一代磁記錄介質。

3.2 具有垂直磁各向異性的自旋閥

隨著電子元件尺寸縮小到亞微米量級，面內磁各向異性材料在磁矩翻轉過程中的卷曲效應越來越明顯，這極大限制了其實際應用。為了縮小元件尺寸從而提高存儲密度，具有垂直磁各向異性的材料被引入到了自旋閥結構中。人們首先制備出了以Co/Pt多層膜為鐵磁層、以反鐵磁FeMn為釘扎層的交換偏置自旋閥結構。但是這種交換偏置自旋閥的磁電阻值都很低（不到1%），其主要原因是自旋閥中極厚的金屬反鐵磁層產生了嚴重的分流作用。課題組經過仔細優化自由層和參考層厚度等因素，制備出了具有良好垂直磁各向異性的無金屬反鐵磁層的贗自旋閥結構Pt（5 nm）/[Co（0.4 nm）/Pt（0.6 nm）]3/Co（0.4 nm）/Cu（3 nm）/[Co（0.4 nm）/Pt（1.5 nm）]4，并獲得了室溫下3.0%的磁電阻值[4]。

上述自旋閥在磁電阻測量過程中電流平行膜面流動，稱為電流平行平面自旋閥，還有一種自旋閥電流垂直膜面流動，稱為電流垂直平面自旋閥，電流垂直平面自旋閥中鐵磁層磁化強度的翻轉可以不借助外磁場，而是利用自旋極化電流產生的自旋轉移矩。目前，人們已經制備出了以Co/Ni和Co/Pt多層膜為鐵磁層的電流垂直平面自旋閥結構，在該自旋閥中還實現了在不借助外磁場情況下電流直接對鐵磁層磁矩的翻轉。

3.3 具有垂直磁各向異性的磁隧道結

和自旋閥一樣，制備磁隧道結的材料也經歷了從面內磁各向異性向垂直磁各向異性的轉變[5]。人們首先制備出了以Co/Pt多層膜為參考層和自由層、以AlOx為隔離層的垂直隧道結結構，并且在6.5×4 μm2的元件上測量得到了15%的隧道磁電阻值。后來，人們把AlOx隔離層換成了結晶化程度更好的MgO隔離層，通過優化實驗參數獲得了室溫下19%的隧道磁電阻值。

由于重金屬元素Pt有很強的自旋軌道耦合作用，一方面導致純Co/Pt多層膜磁隧道結隧道磁電阻值較低；另一方面還導致磁性層的磁阻尼系數很大，在利用自旋轉移矩翻轉磁化強度時需要較大的電流密度，不利于降低元件的能耗。而CoFeB的磁阻尼較小，磁化強度易于翻轉，同時磁電阻值也較高，但是缺點是垂直磁各向異性較弱。結合Co/Pt多層膜和CoFeB各自的優缺點，人們制備出了含有上述兩種磁性層的復合結構磁隧道結并獲得了良好的性能，其中一種結構為Ta（5 nm）/[CuN（20 nm）/Ta（5 nm）]2/Ru（5 nm）/[Co（0.2 nm/Pt（0.2 nm）]4/Co60Fe20B（0.8 nm）/MgO （1.1 nm）/Co70Fe30（0.4 nm）/Co60Fe20B（1.3 nm）/TbFeCo（16 nm）。

3.4 反常霍爾效應元件

由于Co和Pt原子之間的強烈自旋軌道耦合作用以及界面散射，Co/Pt多層膜具有非常大的反常霍爾效應[6]。可以利用Co/Pt多層膜的反常霍爾效應制備傳感器、記憶單元和邏輯單元等。

為了提高元件的性能，需提高Co/Pt多層膜的反常霍爾電阻值，多數情況下還要減小其飽和場和矯頑力。人們發現通過引入MgO、CoO和Hf等功能層可使Co/Pt多層膜的反常霍爾性能有很大提高。

3.5 疇壁移動自旋器件

Co/Pt多層膜強烈的垂直磁各向異性使多層膜中形成了厚度僅為納米量級的Bloch疇壁，同時磁光科爾效應為測量疇壁移動速度提供了方便，所以Co/Pt多層膜特別適合制作疇壁移動記錄單元。目前已經實現在Co/Pt多層膜納米線中，利用磁場和電流驅動多層膜疇壁快速移動，研究還發現表面聲波的輔助作用可使Co/Pt多層膜的疇壁移動速度提高一個數量級[7]。

3.6 磁性斯格明子

磁性斯格明子是一種拓撲保護性的粒子，由于其尺寸小、易被電流驅動等特點可以應用于未來高密度磁信息存儲等領域[8]，最近幾年，這一新興研究領域在全球范圍內引起了人們的極大關注。在Pt/Co/Metal體系中，人們也發現了磁性斯格明子的存在，例如Pt/Co/Ir體系、Pt/Co/W體系、Pt/Co/Os體系等。目前，人們正對這些體系進行系統研究，以期能獲得較快的斯格明子移動速度等性能。

3.7 自旋軌道矩器件

自旋軌道矩是由自旋霍爾效應引起的自旋力矩，和自旋轉移矩類似，自旋軌道矩也可用來翻轉磁性層的磁矩。在Co/Pt體系中，人們發現了很強的自旋軌道矩效應并對此進行了深入研究[9]。目前，人們已經把自旋軌道矩效應應用在了磁隨機存儲器中去翻轉自由層的磁矩。相較于自旋轉移矩，自旋軌道矩有著更快的讀寫速度和更低的功耗，同時也很好規避了自旋轉移矩器件中由于使用很大的電流穿過隧道結而帶來的耐久性問題。

4 結束語

綜上所述，Co/Pt多層膜在自旋電子學中有著非常重要且廣泛的應用。伴隨著自旋電子學的發展，Co/Pt多層膜的性能也被逐漸優化，以期適用于更多的高性能自旋電子學器件中。

［1］都有為.自旋電子學及其器件產業化［J］.科學中國人，2016（13）：6-13.

［2］CARCIA P F.Perpendicular magnetic anisotropy in Pd/Co and Pt/Co thin-film layered structures ［J］.Journal of Applied Physics，1988，63（10）：5066-5073.

［3］VISNOVSKY S，LISKOVA E J，NYVLT M，et al.Origin of magneto-optic enhancement in CoPt alloys and Co/Pt multilayers［J］.Applied Physics Letters，2012，100（23）：232409.

［4］SHUAI L，GUANG-HUA Y，MEI-YIN Y，et al.Co/Pt multilayer-based pseudo spin valves with perpendicular magnetic anisotropy［J］.Rare Metals，2014，33（6）：646-651.

［5］GALLAGHER W J，PARKIN S S P，LU Y，et al.Microstructured magnetic tunnel junctions［J］.Journal of Applied Physics，1997，81（8）：3741-3746.

［6］FANG C，WAN C H，YUAN Z H，et al.Scaling relation between anomalous nerst and hall effect in ［Pt/Co］nmultilayers［J］.Physical Review B，2016，93（5）：054420.

［7］WESTIN E，UDAY S，MAYA A D，et al.SAW assisted domain wall motion in Co/Pt multilayers［J］.Applied Physics Letters， 2018，112（5）：052402.

［8］丁貝，王文洪.磁性斯格明子的發現及研究現狀［J］.物理，2018，47（1）：15-23.

［9］BUTSURIN J，HIDEO S，SHUNSUKE F，et al.Scalability and wide temperature range operation of spin-orbit torque switching devices using Co/Pt multilayer nanowires［J］.Applied Physics Letters，2018，113（21）：212403.

O482

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.065

2095－6835（2020）13－0155－02

劉帥（1984—），男，研究方向為磁性薄膜材料。

〔編輯：嚴麗琴〕