《電場調控CoFeB垂直磁化膜各向異性及自旋轉移矩的研究》是依託華中科技大學，由楊曉非擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：電場調控CoFeB垂直磁化膜各向異性及自旋轉移矩的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊曉非
- 依託單位：華中科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
採用高自旋極化率的CoFeB基垂直磁性隧道結（PMTJ）製備自旋轉移矩磁隨機存儲器（STT-MRAM），具有臨界翻轉電流密度小、功耗低、器件尺寸小、存儲密度大、磁阻效應大、存儲穩定性高等特點。通過電場調控垂直磁化膜的磁特性可以提高PMTJ的極化電流致磁性翻轉可控性，因此電場調控STT-MRAM具有很好的套用前景。尚有一系列基礎問題亟待解決，例如，調控電場與產生STT效應的自旋極化電流及自旋極化率的關係、如何提高電場對垂直磁化膜各向異性調控的靈敏度、電場調控對PMTJ磁特性及反鐵磁耦合特性的影響等。本課題擬採用磁控濺射的方法製備高質量的CoFeB基垂直磁化膜，在此基礎上採用電子束光刻等微加工工藝製備垂直磁性隧道結，研究電場對CoFeB基垂直磁化膜各向異性及PMTJ 中STT效應的影響，並通過第一性原理進行建模計算。研究成果將有效促進電場調控型STT-MRAM的設計、製備和套用。
結題摘要
自旋流是自旋電子學前沿課題，相關研究對新型自旋器件的研發具有突出意義。然而，外加電流所帶來的較大熱耗是限制器件套用的瓶頸。通過電場調控磁性體系的磁各向異性能有望極大地減小該熱耗，因而受到較多關注。本項目針對各種自旋流器件性能電場調控開展實驗和計算研究，主要取得了以下成果：1. 實驗研究了重金屬/鐵磁金屬體系自旋霍爾磁電阻的電場調控。通過磁控濺射在PMN-PT壓電襯底上生長了W/CoFeB/Pt等重金屬/鐵磁金屬異質結薄膜。外加電場極化襯底可以顯著影響磁性薄膜磁各向異性場，從而改變磁電阻磁場回響特性曲線。但體系的磁電阻大小無明顯改變。說明界面自旋-磁矩耦合對外電場引發的應力具有較強魯棒性。另外，我們在PMN-PT壓電襯底上生長了YIG/Pt，並研究其自旋塞貝克效應的電場調控，結果和自旋霍爾磁電阻效應的電場調控類似，外加電場可顯著改變自旋塞貝克效應的磁場回響特性，但對熱電電壓大小無明顯影響。2. 實驗研究了鐵磁金屬/PMN-PT異質結構各向異性磁電阻效應的電場調控。包括FeCoSiB和NiCo兩種合金體系的各向異性磁電阻效應。對於FeCoSiB，外加電場極化襯底實現了電阻條磁各向異性取向的非90度旋轉，從而有望實現對磁場測試方向的電場調控。而對於NiCo，研究發現無外加電場作用下，該合金表現四重對稱磁各向異性，外加足夠強的電場可實現從四重各向異性向非易失單軸各向異性的過渡，並顯著拓寬此單軸各向異性難軸方向的磁場回響範圍，從而為研發新型寬磁場測試範圍的各向異性磁電阻感測器奠定基礎。3. 基於微磁學理論和仿真，開展了電場調控磁性和自旋流的計算研究：(1).在考慮磁疇壁寬度變化基礎上，嚴格推導了外電場輔助下自旋流驅動手性疇壁運動的方程，並進行數值求解。結果顯示外加電場輔助可導致疇壁速度增大一倍，並從勻速運動變為加速運動；(2). 研究了外加電場驅動人工反鐵磁結構疇壁的運動，發現相比單一鐵磁層疇壁，人工反鐵磁耦合的疇壁可以具有更大的運動速度，並且疇壁傾斜和Walker崩潰均得以抑制；(3). 研究了外加電場驅動下人工反鐵磁結構中skyrmion半徑的改變，發現可以在很小的電場下實現半徑的顯著改變，從而為研發新型低功耗神經計算器件奠定基礎；(4). 研究了外加電場對四重對稱和交換彈簧等特殊磁各向異性體系磁性的調控，以及對自旋閥感測器核心電橋單位輸出特性的調控。
