【摘 要】
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随着5G通讯、大数据、云计算、区块链、自动驾驶、人工智能等领域的极速发展,对于存储元件、传感器件和逻辑器件等的需求呈现指数级增长,但随着摩尔定律的失效,后摩尔时代的半导体电子器件已逐渐跟不上需求,自旋电子学器件凭借其非易失、快读写、高耐久、低功耗等诸多优点获得了众多关注。但相比半导体电子器件而言,目前大部分自旋电子学器件仍旧处于研发阶段,其性能远低于实际应用的需求,只有少数器件可应用于部分尖端领域
【基金项目】
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国家自然科学基金项目51571018； 国家自然科学基金项目52071025；
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随着5G通讯、大数据、云计算、区块链、自动驾驶、人工智能等领域的极速发展,对于存储元件、传感器件和逻辑器件等的需求呈现指数级增长,但随着摩尔定律的失效,后摩尔时代的半导体电子器件已逐渐跟不上需求,自旋电子学器件凭借其非易失、快读写、高耐久、低功耗等诸多优点获得了众多关注。但相比半导体电子器件而言,目前大部分自旋电子学器件仍旧处于研发阶段,其性能远低于实际应用的需求,只有少数器件可应用于部分尖端领域。因此如何有效地调控自旋电子学器件的性能,以及探究其内在物理机制,对于自旋电子学的理论研究和实际应用都至关重要。目前自旋电子学器件主要基于重金属/铁磁层这样的纳米多层膜结构,其核心结构铁磁层大多为Co、CoFe、CoFeB等Co基铁磁层,通过界面优化Co基多层膜去调控体系的自旋相关输运性能,对自旋电子学器件的结构设计和性能优化十分重要。本论文的主要研究内容及成果如下:（1）研究了 CoFe/MgO和CoFe/HfO2界面的不同氧迁移行为,并发现退火后Ta/CoFe/MgO薄膜的磁各向异性能降低,但Ta/CoFe/HfO2薄膜的磁各向异性能增加。对于前者CoFe/MgO界面,在制备态时CoFe层中的Fe被来自MgO中的O氧化,退火后O又由Fe的氧化物迁移到MgO中;对于后者的CoFe/HfO2界面情况完全不同,在制备态时CoFe层中的Fe被来自HfO2中的O氧化,然而退火后O继续由HfO2向CoFe层迁移,Fe被进一步氧化。进一步的研究表明CoFe/MgO和CoFe/HfO2界面处的不同氧迁移行为引起的不同界面Fe 3d-O 2p轨道杂化,导致了其对磁各向异性不同的影响。（2）研究了垂直磁化的Pt/Co/MgO薄膜的自旋霍尔自旋轨道矩效应,在垂直磁化的Pt/Co/MgO薄膜中将Ru掺入Co层,实现了对自旋霍尔自旋轨道矩效应的调控。随着Ru掺杂的增加,类阻尼自旋轨道矩等效场增加了2.3倍,类阻尼自旋轨道矩效率提高了 125%。然而,Ru的掺入对类场自旋轨道矩效率的影响较小。第一性原理计算表明,Ru掺入可以显著增加费米能级自旋向上态的态密度,但对自旋向下态的态密度影响较小。我们认为这种电子结构调制可能会减少自旋霍尔自旋流通过Co-Ru层的散射,从而提高自旋轨道矩效率。我们在Ta/CoFeB/MgO薄膜中掺入Ru也观察到类似自旋轨道矩的增强。（3）研究了界面工程调控Co基多层膜自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁电阻,通过引入自旋霍尔角相反的Pt和Ta层的双重金属层,探究了 CoFe多层膜中的增强自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁电阻的方法。研究发现,Pt/CoFe/Ta结构的单向自旋霍尔磁电阻比Pt/CoFe结构的提高了33%;而Ta/CoFe/Pt结构的单向自旋霍尔磁电阻的值比Ta/CoFe结构的提高了 90%。Pt/CoFe/Ta结构的单位电场类阻尼自旋轨道矩效率也比CoFe/Ta结构的提高了 227%。我们的研究利用界面工程通过相反自旋霍尔角材料的组合增强了金属多层膜的自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁电阻。（4）研究了热处理调控Co基多层膜自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁电阻,测量和分析了制备态和多种温度的退火态下Pt/CoFe/Ta三层膜以及Pt/C oFe和CoFe/Ta双层膜中的自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁阻。研究发现,热退火对Pt/CoFe/Ta三层膜中自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁阻的大小和符号都有很大影响,Pt/CoFe/Ta三层膜的类阻尼自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁阻都随着退火温度的增加而减少,它们甚至在退火温度235℃—265Δ区间内符号反转。而在Pt/CoFe和CoFe/Ta双层膜中,退火后并未出现自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁阻的符号变化。这一发现意味着Pt/CoFe/Ta三层膜中的自旋轨道矩和单向自旋霍尔磁阻的符号可以通过热退火处理来调控。
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