基本介紹
- 中文名：確定性磁化翻轉
- 外文名：Deterministic magnetization reversal
- 特點：鐵磁層的磁化方向改變
- 別稱：確定性電流感應的磁化翻轉
簡介,磁化翻轉影響因素,磁化翻轉的調控,通過壓電效應對磁矩的調控,磁電耦合作用對磁矩的調控,柵極電場效應對磁矩的調控,相關研究,
簡介
自旋電子學由於其豐富的物理內涵和廣泛的器件套用前景已成為凝聚態物理的熱點領域。GMR和TMR等效應自提出以來，便在讀寫磁頭、磁存儲元件、磁場探測器等領域得到廣泛套用、這是自旋電子學在套用領域取得的巨大成功。然而，無論是GMR還是TMR器件，都必須通過外加磁場進行操作，這就在一定程度上增加了器件的複雜度，限制了器件的套用範圍。人們希望找到一種器件，既能實現GMR和TMR的功能，又無需外加磁場。
1996年，Slonczewski和Berger在理論上分別獨立地提出一種納米尺度下新的自旋相關效應—電流感應的磁化翻轉（CIMS）效應，即在不需要外加磁場的條件下，只通過注入自旋極化電流，就可以使鐵磁層的磁化方向改變，甚至發生翻轉，從而改變鐵磁層的磁阻。該效應一提出就引起研究人員的極大興趣，開展了大量的理論和實驗研究。
磁化翻轉影響因素
實驗研究表明，磁化翻轉效應主要會受到以下一些因素的影響。
（1）器件的材料、界面情況。鐵磁膜的飽和磁化強度、自旋弛豫長度，以及鐵磁/非鐵磁界而的自旋相關散射係數等參數都會對臨界電流和磁阻變化率產生直接影響。Co、CoFe、鎳鐵合金等多種鐵磁材料都被人們廣泛研究。採用飽和磁化強度較低的材料作為自由層，增強界而的自旋相關散射、都有利於降低臨界電流。
（2）器件尺寸和各層的厚度。首先，器件尺寸越大，所需的臨界電流越大，翻轉越困難。同時，釘扎層和自由層的厚度也需滿足一定要求。隔離層的厚度則需滿足兩個條件：首先要滿足電子在隔離層中為彈道輸運過程，不發生自旋翻轉，這就要求隔離層厚度小於電子的自旋擴散長度；而另一方面，要調整隔離層厚度以儘量減小兩個鐵磁層之間的耦合作用。
（3）納米柱體的截面形狀的影響。截面為圓形時，由於鐵磁膜平面內各向同性，易呈現多磁疇特性；而截面為橢圓形時，由於鐵磁膜平面的各向異性，磁化方向通常被限制在橢圓的長軸方向，呈現單磁疇特性。表現於R-I特徵曲線上，多磁疇結構的磁阻隨電流變化緩慢，單磁疇結構的磁阻隨電流的變化則較陡直。此外，鐵磁層邊緣處的雙偶極作用也會對CIMS效應產生影響。為了減小這種耦合作用、一個簡單的辦法就是採用釘扎層橫向不完全限制的結構。
（4）外加磁場的影響。雖然理論上磁化翻轉效應不需要外加磁場的作用，但外磁場會影響器件的初始狀態，也會影響器件的R-I特徵曲線。
磁化翻轉的調控
電流方法調控磁矩翻轉一般需要比較高的電流密度，這會導致很嚴重的熱效應及能耗問題，這是人們當前關注的熱點和急需解決的問題。利用電壓替代電流調控磁矩翻轉,可以極大程度地降低調控磁化翻轉的能耗。通常電壓調控磁矩翻轉有三種不同的機理：壓電效應、磁電耦合效應和柵極電場效應。利用這些不同的調控機理，都可以實現電壓對磁矩的調控作用。
通過壓電效應對磁矩的調控
磁性材料的自發磁化狀態及磁滯回線與材料的磁晶各向異性密切相關，壓電效應通過形變會改變磁性材料的晶格常數，從而直接影響其磁晶各向異性，最終實現電壓調控磁性材料的磁矩。為了實現壓電效應對磁矩的調控作用，可以製備壓電/磁性異質結，在電壓的作用下，壓電材料表現出拉伸或者收縮形變，這種形變會傳遞到鐵磁層，從而導致磁性薄膜的晶格常數發生變化，達到電壓調控磁矩翻轉的目的。
磁電耦合作用對磁矩的調控
除了利用壓電性可以實現調控磁矩之外，鐵電材料的鐵電特性也可以實現磁矩的調控。在對鐵電材料施加外加電壓時，會誘發其產生鐵電極化，從而產生一個極化電場.在超薄磁性薄膜/鐵電性材料構成的異質結中，鐵電極化電場通過磁電耦合，可以改變磁性材料界面處的自旋結構以及軌道雜化情況從而可以實現磁性的調控。
柵極電場效應對磁矩的調控
利用柵極電場也可以實現磁矩的調控作用，在鐵磁金屬或鐵磁半導體/介電絕緣材料/金屬材料結構中，通過對鐵磁層施加柵壓，可以有效地調控鐵磁材料中3d軌道電子或者稀土元素4f電子的態密度，從而影響電子的自旋特性，實現對鐵磁性材料磁特性的調控作用。
相關研究
雖然自旋軌道矩有望解決自旋轉移矩所面臨的速度和勢壘可靠性瓶頸，但它仍舊有一個亟待解決的問題：對於垂直磁各向異性的磁隧道結來說，單獨的自旋軌道矩無法實現確定性的磁化翻轉，磁化在垂直向上和垂直向下兩種狀態下是等效的，必須沿電流方向外加一個水平磁場破壞這種對稱性才能實現確定性的磁化翻轉，如圖所示。外加磁場的使用增加了電路複雜度，也降低了鐵磁層的熱穩定性，成為限制自旋軌道矩套用的最大障礙。如何使自旋軌道矩能夠在無需磁場的條件下完成確定性的磁化翻轉。
自旋軌道矩研究
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