磁性纳米自旋阀器件中电流诱导磁化翻转行为的实验研究

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1、2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 磁性纳米白旋阀器件中电流诱导磁化翻转 行为的实验研究 姜勇H ，滕蛟1 ，包瑾1 ，猪俣浩一郎2 1 北京科技大学材料物理与化学系，北京市海淀区学院路3 0 号，北京1 0 0 0 8 3 2 东北大学工学部材料物性学科磁性材料研究室，青叶山，日本仙台9 8 0 8 5 7 9 摘要：近年来，我们陆续报道了纳米柱形状的电流垂直于平面构型的( 简称C P P ) 交 换偏置自旋阀( 简称E S P V ) 中的电流诱导磁化翻转行为( 简称C I M S ) 。在传统的E S P V 结构中，我们成功的观测到了C I M

2、S 现象。但是临界电流值高达1 0 8 安培平方厘米。利 用单层金属钌( R u ) ，我们将该临界电流有效的降低到了1 07 安培平方厘米量级。特别 是，在一种反对称型自旋阀结构中，临界电流被降至1 0 6 安培平方厘米量级，这使得 C I M S 极有可能在以后的随机存储器中得以应用，从而大幅度的降低随机存储器的写入能 耗，提高其存储密度。本文实验研究了一种特殊的反对称自旋阀结构。随着外加磁场的 增大，该结构纳米器件表现出了一种由“逆C I M S ”向“正常C I M S ”的转变。这种现象被 解释为：该反对称自旋阀在不同的外加磁场下有不同的磁化取向，因而引起不同的C l M S 行为。

3、 P A C Sn u m b e r s ：7 5 6 0 J k ，7 2 2 5 H g ，7 5 4 7 D e 前言 1 9 8 8 年，人们在金属磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应( G M R ) ，即磁性多层膜的电 阻值随外加磁场而发生巨大变化的行为1 。G M R 发现后不到十年，就被用做计算机硬盘的 读出磁头材料，从而大幅度的提高了计算机硬盘的存储密度。另外，G M R 还被用在磁随 机存储器( M R A M ) 中。M R A M 是最近兴起的一种新型信息存储器件。它主要是结合G M R ( 或 隧道磁电阻T M R ) 和芯片集成技术，具有高速存取、不挥发等优良特性，被认

4、为将最终 取代目前被广泛运用的磁、光盘技术。目前为止，M R A M 的存储密度还不尽人意。因为随 着磁性存储元件( 即G M R 或T M R 器件) 尺寸缩小到亚微米尺寸，磁性膜会产生巨大的退磁 场，使得改变其磁化方向变得更加困难，即写入的能耗也大幅度增加，从而阻碍了存储 密度的进一步提高。 S l o n c z e w s k i 2a n d B e r g e r3 理论预测出，在纳米尺寸的单层铁磁体膜或纳米柱形 状金属磁性多层膜中流过的极化电流能产生磁激发或者甚至引起磁化方向的翻转。这种 电流诱导磁化翻转( C I M S ) 行为引起了人们广泛的兴趣。运用极化电流改变磁性膜的磁

5、 化方向的概念，很可能为我们提供了一系列“电流驱动”的纳米器件，即通过直接通过 电流，而不是电流导线产生的环形磁场来改变磁性纪录元件的记忆信号4 。特别地，如 果能在M R A M 中应用C I M S 技术，可以大大的降低M R A M 的信息写入能耗和提高其存储密度。 目前为止，绝大多数C I M S 方面的研究工作都是围绕着最简单的铁磁体( F M ) 铜( c u ) F M 多层膜结构展开5 。9 。在通常的F M C u F M 结构中，能实现磁化翻转的临界电流值均在1 0 7 安培平方厘米左右。最近，我们报道了在一种交换偏置自旋阀( E S P V ) 结构中首次观测 到的C I

6、 M S 现象1 0 1 1 。该报道被认为具有很高的应用价值，因为在通常的磁记录元件中， 人们用到的都是E S P V ，而不是简单F M c u F M 结构。这是因为E S P V 的磁结构容易控制而 2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 且矫顽力也较低。该E S P V 结构中能实现磁化翻转的临界电流为1 6 x 1 0 8 安培平方厘米。 这样高的临界电流值实际上阻碍了C I M S 技术在磁性存储元件( 例如M R A M ) 中的应用， 因为过高的写入电流可以轻易的破坏磁性存储单元。理论研究表明，只有当临界电流密 度降低到1 0 6 安培平方

7、厘米量级，C I M S 技术才能投入实际应用。因此，如何有效的降 低C I M S 的临界电流密度已经成为当今物理、材料以及电子领域的研究前沿之一。我们的 研究发现，利用金属钌层( R u ) ，可以将E S P V 结构的临界电流有效地降低到1 07 安培 平方厘米量级1 0 。进一步，在我们设计的一种“反对称结构”E S P V 中，临界电流密度 被成功的降低到了1 0 6 安培平方厘米1 1 1 3 。这种临界电流的实质性降低，使得C I M S 技术 很有可能被应用到将来的自旋电子器件中，给人们带来更低能耗、更高存储密度的新型 存储器件。 本文中，为了进一步研究金属R u 层对C I

8、 M S 行为的影响机理，我们将前面所研究的 “反对称结构”E S P V 中的金属R u 层替换为金属R u C u 双层结构。研究表明，由于这种 替代，E S P V 中的磁化取向在外加磁场下发生改变，使得自旋阀结构在不同的磁场下表现 出明显不同的C I M S 行为。 实验及结果分析 本文所研究的自旋阀结构( 由底层到顶层) 为C u ( 8 0 ) I r M n ( 1 0 ) C o 。o F e ，。( 5 ) C u ( 6 ) C o 。F e 。( 1 ) R u ( 0 4 5 ) C u ( 5 5 ) C o 。o F e ，o ( 5 ) C u ( 5 ) T a

9、 ( 2 ) ( 所标膜层厚度单 位均为纳米，即n m ) 。纳米柱形状的自旋阀样品的制备过程如下：首先在超高真空溅射系 统中，在洁净的S i S i0 2 基板上按照上述结构顺序溅射出自旋阀金属多层膜；然后利用 电子束平版印刷、离子束刻蚀，将自旋阀做成尺寸为2 8 0 x 9 0n m 2 的椭圆形纳米柱器件。 具体的制备过程已经另文发表1 0 1 1 。电极的排列使得该自旋阀为电流垂直于平面构型( 即 C P P ) 。电阻值的测量是在室温下采用标准的四引线法进行。其中正电流方向是指电子由 自旋阀的底电极流向顶电极。外加磁场由电磁铁提供。磁场沿着金属多层膜的易磁化轴 方向。 H I O e

10、 ) 图l 所示为一个具有上述反对称结构 和尺寸的交换偏置自旋阀器件在室温下的 磁电阻行为。测试所采用的信号电流为l 毫安。该器件在室温下表现出明显的G M R 效应。如果定义G M R = ( R A p - R r ) R ，x 1 0 0 ，其 中R r 和R P 分别为器件在外加磁场下表现 出的最高和最低磁电阻值，则这个器件室 温下的G M R 大约为0 6 3 。这种巨磁电阻 现象是因为器件中金属磁性膜的磁化取向 图l 一个具有反对称结构的自旋阀纳米随外加磁场而变化而引起的。当各磁性膜 柱在室温下的磁电阻曲线。纳米柱顶面尺的磁化取向一致的时候，器件表现出较低 寸为2 8 0 x 9

11、0n m 2的 电阻值，而当各磁性膜的取向反平行的时候，器件表现出较高的电阻值。 将外加磁场降到一5 0 0O e ，然后缓慢增大磁场达到并保持为某个值H ( O H 5 0 0O e ) 后， 实验测量了样品的电阻值与外加信号电流之间的变化关系。其中当H = 2 0 0O e 和H = 4 0 0O e 2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 时，所测结果如图2 所示。 l ( m A )I ( m A ) ( a )( b ) 图2 当外加磁场固定为( a ) 2 0 00 e 和( b ) 4 0 00 e 时，器件的电阻值随信号电流变化 曲线 当外加

12、磁场分别为2 0 0o e 和4 0 00 e 时， 器件的电阻值均随着夕功信号电流而娈I 化，而 且电阻随信号电流变化率与图1 所示的G 躲变 化率致。这说明在外加信号电流的作用下， 器件中的磁| 生膜的磁化取向发生了变化，即器 件表现出了明显的C I M S 行为。这种C I M S 行为 般被解释为：当外加电流穿过较厚的钉扎铁 磁层时，电流即被极化成钉扎铁磁层的磁化方 向，这个被极化了的电流通过较薄的自由铁磁 层时，就会对自由铁磁层的磁矩施加个自旋 图3 器件在不同磁场下发生C I M S 矩( S p i n - t o r q u e ) ，从而改变自由层的磁矩取 的临界电流值向，这

13、个过程被称为自旋矩转换效应( S p i n _ t o r q u et , r a n s f e r ) 2 0 根据C I M S 的机理，当电子由钉扎层流向自由铁磁层时，自旋转换可 以使得多层膜器件的磁化取向趋向平行。反之，则使得磁化取向变成反平行。但是就本文 所研究的自旋阀器件而言，由于正向电流中的电子是由底面的钉扎铁磁层( 5 纳米的 C 0 9 0 F e 。o ) 流向中间的自由铁磁层( 1 纳米的C o 。o F e ，o ) ，根据自旋转换理论，正电流应该是使 多层膜的反平行取向变成平行取向，即使得器件样品的电阻值由高变低。而由图2 可以看 出，当磁场为2 0 00 e

14、时，C I M S 行为与理论预言的正好相反。我们此时所观察到的是一种 “逆C I M S ”行为。而当外加磁场为4 0 00 e 时，器件又表现出与理论预言完全一致的正常 C I M S 行为。 如果我们将发生磁化翻转的起始电流值规定为临界电流。用I 砷( A Pt oP ) 表示发生 磁化取向由反平行到平行状态的转变所需要的临界电流值；I 。( Pt oA P ) 表示发生磁化 取向由平行到反平行状态的转变所需要的临界电流值。则该自旋阀器件在不同外加磁场下 实验测得的临界电流值如图3 所示。可以看出，大约以3 0 00 e 外加磁场为分界点，器件表 现出的C I M S 行为发生了由逆C

15、I M S 到正常C I M S 的转变。该转变的机理在于不同磁场下器件 2 0 0 5 年1 1 月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 中磁化组合状态的变化。由于顶层耦合层C u 被R u 掺杂，大大的增加了自旋损耗，所以该 器件的G M R 信号主要来源于底组合层c 0 9 0 F e ，o ( 5 n m ，钉扎层) C u ( 6 n m ) C o 。o F e o ( i n m ，自 由层) 的贡献。当外加磁场较小的时候，中间和项层的两个c o 。F e - o 膜的磁化方向均与底层 c o 。F e 。的磁化相反。此时如果考虑反向电流方向，即电子由顶电极流向底电极

16、时。电子首 先穿过顶层铁磁层而被自旋极化。由于金属R u 和c o 之间能够形成一种C o R u 合金，与通 常金属膜的性质恰恰相反，该合金强烈散射主自旋电子1 2 。所以只有次自旋电子可以进入 自由铁磁层，然后施加自旋矩迫使自由层的磁化取向改变为与底面的钉扎铁磁层呈平行排 列。此时自旋阀表现出逆C I M S 行为。而当外加磁场增大时，三层铁磁膜的磁化方面均平行， 此时，如果外加反向电流，由顶层流到自由层的次自旋电子改变自由层的磁化取向，使得 自由层与钉扎层的磁化方向相反，表现出正常的C I M S 行为。 综上，本文研究了一种特殊的反对称自旋阀结构。随着外加磁场的增大，该自旋阀器 件表现出了一种由逆C I M S 向正常C I M S 的转变。该现象可以被定性的解释为白旋阀在不同 磁场中的不同磁化状态所致。 作者感谢北京科技大学“4 2 2 高层次创新人才工程”基金资助。 参考文献： 1 M N B a i b i c h ，J M B r o t