【摘 要】
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在当下,万物互联与数字化已经成为了未来的发展趋势,这需要信息存储技术的优化与革新。利用自旋轨道矩实现信息写入的磁性存储器凭借其较高的存储密度、较低的能耗、较好的存储稳定性以及存储信息的非易失性,获得了科学家们最广泛的关注,也被视为最有发展和应用潜力的新一代数据存储器。对于利用自旋轨道矩实现存储功能的磁存储器而言,信息的写入是借由磁矩的翻转实现的。驱动磁矩进行翻转的自旋轨道力矩通常来源于由重金属体内
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.51671098,No.91963201）； 大学长江学者和创新研究团队项目（No.IRT16R35）； 兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室开放项目（No.LZUMMM2021007）； 中央高校基础研究经费（lzujbky-2020-62,lzujbky-2021-c
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在当下,万物互联与数字化已经成为了未来的发展趋势,这需要信息存储技术的优化与革新。利用自旋轨道矩实现信息写入的磁性存储器凭借其较高的存储密度、较低的能耗、较好的存储稳定性以及存储信息的非易失性,获得了科学家们最广泛的关注,也被视为最有发展和应用潜力的新一代数据存储器。对于利用自旋轨道矩实现存储功能的磁存储器而言,信息的写入是借由磁矩的翻转实现的。驱动磁矩进行翻转的自旋轨道力矩通常来源于由重金属体内的自旋霍尔效应（SHE）或者界面Rashba效应所产生的自旋流。因此,如何提高电荷流到自旋流的转换效率成为了研究人员关注的要点之一。由界面交换耦合产生的交换偏置效应在新一代磁存储器中亦扮演着重要的角色,然而对于涉及到界面相互作用的交换偏置效应仍存在诸多问题需要更进一步的研究。此外,研究人员还发现自旋轨道矩不仅可以实现铁磁磁矩的翻转亦可以对反铁磁的界面磁矩进行调控。这表明或许可以借助自旋轨道矩在具有单一剩磁态的双交换偏置体系中实现电流调控的基于剩磁态霍尔电阻的多态存储。基于上述这些问题,本论文借助磁控溅射技术分别制备了Co基的铁磁和反铁磁体系样品,利用电输运测量平台、磁光克尔显微镜、原子力显微镜等仪器,对样品的结构、磁性以及电输运性质进行了探究,得到的研究结果如下:（1）利用磁控溅射技术,制备了Pt/Co/Pt样品,通过改变Co和上层Pt之间的Co层界面的氧化程度,详尽地研究了界面氧化对磁性异质结垂直磁各向异性（PMA）和自旋轨道矩（SOT）的影响。实验结果表明界面氧化修饰会显著地影响样品的垂直磁各向异性与磁畴结构。氧化插入层的出现会阻隔Co/Pt界面的形成,从而降低样品的垂直磁各向异性并影响其翻转过程的磁畴结构。在本研究团队的实验条件下,Co层在30分钟的自然氧化下会形成厚度在0.4nm左右的氧化层。氧化操作将会使样品的垂直磁各向异性有效场从9565.5±153.5 Oe下降到5262.5±48.5 Oe,降幅高达50%。与此同时,在Pt/Co/Pt和Pt/Co/Ta样品中观察到了电流驱动的磁化翻转,而在Pt/Co/CoO/Pt样品中未实现此翻转过程。此外,本研究亦使用倍频电压测试的方法定量地测量了不同样品自旋轨道耦合有效场转换效率ΔβDL和ΔβFL的大小。其中具有反对称构型的Pt/Co/Ta样品的ΔβDL和ΔβFL均相对较大,分别为5.62±0.09和4.04±0.04Oe/（10~6A/cm~2）。结构较为对称的Pt/Co/Pt和Pt/Co/CoO/Pt样品的ΔβFL则明显小于Pt/Co/Ta样品且Pt/Co/Pt样品的ΔβDL是Pt/Co/CoO/Pt样品的3.6倍。实验数据证实界面Rashba效应会由于结构的对称设计而被明显抑制,自旋流在界面处的自旋损耗亦会由于氧化插入层的出现而显著降低。（2）通过磁光克尔显微镜,在具有不同铁磁、反铁磁层厚度的Pt/Co/IrMn/Co系列样品中同时观察到了垂直交换偏置与面内交换偏置现象,且样品在垂直膜面方向上的磁滞回线表现出双交换偏置现象,这与样品生长过程中腔室内的不均匀杂散场有关。通过测试样品的磁滞回线,发现铁磁层厚度的增加直接导致交换偏置场的降低,当厚度的变化较为明显时,交换偏置场与铁磁层厚度的倒数会表现出符合理论模型的线性关系。与此同时,反铁磁的厚度也会影响室温下交换偏置场的大小:反铁磁层的厚度在4 nm以下时,过低的反铁磁奈尔温度导致室温下不会产生铁磁和反铁磁耦合作用,样品也不存在交换偏置现象;当反铁磁厚度较大时,界面交换耦合常数不随反铁磁的厚度发生改变,因此交换偏置场也基本保持不变。这些结果表明交换偏置来源于Co和IrMn之间的界面交换耦合效应。随后,在三种不同的外磁场配置下实现了面外方向上双交换偏置磁滞回线剩磁态的电流调控,该实验结果表明可以通过自旋轨道矩在具有单一剩磁态的双交换偏置系统中实现电流定制的基于剩磁态霍尔电阻的多态存储。
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