自旋电子学讲座4

自旋电子学系列讲座(4)自旋转移力矩翟亚巨磁电阻效应(GMR)是磁性多层膜的电阻值随外加磁场而发生巨大变化的行为！有没有逆效应呢？自旋角动量转移效应(简称STT效应)1996年，Slonczewski和Berger通过理论计算预测出，当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜或金属磁性多层膜中时，极化电流与多层膜中的散射会带来由极化电子到铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移，从而对铁磁薄膜磁矩产生自旋矩，引起铁磁薄膜磁矩的不平衡，使之发生转动，进动甚至使磁化方向翻转。运用极化电流改变磁性膜的磁化方向的概念，很可能为我们提供了一种崭新概念的“电流驱动”纳米器件，即采用电流直接穿过元件，而不是利用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关于Spintransfertorque的文章：„PhysicalReviewBandPhysicalReviewLetters:120篇„Nature&Science:10篇目前每年的MMM和IEEEIntermag会议都有专门的“Spintransfertorque”分会场!主要内容:„自旋角动量转移（STT）效应„STT诱导磁化反转所需要的临界电流„STT效应诱导磁化反转„STT效应诱导磁纳米线中畴壁移动„尺寸、结构和材料对畴壁产生的影响什么是自旋角动量转移（STT）效应?HhardsoftHGMR&TMR:磁化改变电流能不能反过来呢?自旋转移力矩：电流改变磁化！非极化电流eeeeM1钉扎层自旋极化电流eeeeM2自由层eM2自旋极化电流改变了自旋方向eee„当外加电流穿过SPV或MTJ的被钉扎层时，电流被极化为与被钉扎层磁化一致的方向，即变为自旋极化电流。„极化电流穿过自由层时，它与自由层的磁矩之间产生角动量转换，使得它对自由层的磁矩产生一个力矩，„迫使自由层的磁化方向向与被钉扎层磁化一致的方向转动，即使得SPV或MTJ的磁化方向呈平行排列的趋势。非磁层自旋转移力矩„电流首先通过自由层，它被自由层极化生成与自由层磁化方向一致的极化电流。„这个极化电流通过被钉扎层时也会对其产生STT，但是由于被钉扎层的磁矩方向较稳定，不容易改变。„而与此同时，极化电流中的次自旋电子，即与自由层磁化方向相反的自旋电子，会被被钉扎层反射回自由层，从而对自由层的磁矩产生STT作用。„结果使得自由层与被钉扎层的磁化呈反平行排列。当入射电流方向相反时？„在临界电流处的自旋力矩使两磁层磁矩反平行，R发生突变。„低场下两磁层磁矩反平行，R达到最大。利用改变直接穿过SPV或MTJ的电流方向和大小，改变磁化取向，形成高阻态和低阻态。Theoreticalprediction„Slonczewski,J.C.Current-drivenexcitationofmagneticmultilayers.J.Magn.Magn.Mater.159,L1±L7(1996).„Berger,L.Emissionofspinwavesbyamagneticmultilayertraversedbyacurrent.Phys.Rev.B54,9353±9358(1996).LLG方程＋自旋转移力矩()effJpssdMdMMMHMaMMdtMdtMαγ=−×+×+××自旋电流的横向分量被吸收，纵向分量成为该层的整个自旋=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=idtSdtorquerh自旋电流的纵向分量自旋转移力矩J.C.Slonczewski,J.Magn.Magn.Mater.,159,L1(1996)e-F1e-F2transversecomponentHeffΘmHeffdtmd⎟⎠⎞⎜⎝⎛rα⎟⎠⎞⎜⎝⎛dtmdr.injecdtmd⎟⎠⎞⎜⎝⎛rinjec.dtmd⎟⎠⎞⎜⎝⎛rI0I0S1S2CourtesyofJonathanSunIICIICIIC磁进动示意图自旋转移力矩暂时磁进动磁化翻转持续磁进动自旋波激发STT诱导磁化反转所需要的临界电流„当电流较小时，即使它产生的STT能够克服磁阻尼矩，也只能使得磁化M围绕易轴进行磁进动。„而当电流大于某一个临界值IC时，STT可以迫使M转过赤道位置，指向相反方向，即引起磁化方向的翻转。„STT诱导磁化反转效应需要满足的条件之一就是外加电流必须大于临界电流IC。„基于宏自旋近似(Macro-spinapproximation)，对于铁磁/铜/铁磁三层结构，临界电流可以简单的由下面公式得出：2()()(2)CkSeImHHMαπη=++h其中MS是自由层的饱和磁化强度；α是磁矩进动的LLG方程中的阻尼系数；η是自旋电流的极化率，定义为η=(I↑-I↓)/(I↑+I↓)；I↑和I↓分别代表主、次自旋极化电流；m是自由层的总磁矩；H和Hk分别代表外加磁场和薄膜的各向异性场。STT诱导磁化反转所需要的临界电流„H与磁性薄膜的易轴方向一致。可见随着H的增大，所需临界电流增加。„这种临界电流与外加磁场的关系也是人们从实验现象中区别STT效应诱导磁化反转（CIM）和局域磁场诱导磁化反转的重要手段之一。„要实现STT诱导磁化反转，第二个必须要满足的条件：外加电流必须要垂直于磁性薄膜。对于MTJ结构，本身就满足这个要求；而对于SPV而言，则必须是在电流垂直于平面构型(CPP)中才能观测到STT效应。„需要满足的另一个条件是SPV或MTJ样品的尺寸必须小于100纳米。为什么？首先要知道目前的临界电流密度多大？STT诱导磁化反转所需要的临界电流„对于一个CPP构型的spinvalvepillar(SPV)结构，自由层的厚度的数量级为2nm,临界电流密度为：理论值:实验值:„随着器件尺寸的减小，形状各向异性增加，因而由磁场来开关磁化强度增加了困难。CIM将是一种自然的方式可以克服开关势垒。6827921010/1010/jAcmjAcm=−=−‡如果样品是一个直径为2r，厚度为t的园柱状：IC∝r2，STT所产生的有效场Heff∝I/r2。‡对于局域环形磁场效应，根据麦克斯韦公式，H=2I/(cr)‡随着样品半径r的减小，r2的减小速度明显更快。必然存在一个临界半径值ac，当rac时，STT产生的有效场大于局域环形磁场，STT效应占据主导地位。Nanopillars142()()()()kssHcceMtMaηαπ=h对于3纳米厚的Co来说：2ac≈100nmSTT效应诱导磁化反转„STT效应的理论研究开始于1996年。„第一次清晰地在最简单的Co/Cu/Co三层结构纳米柱中实验观测到STT效应诱导磁化反转行为。„首次在具有钉扎层的ESPV中清晰地观测到STT诱导磁化反转行为。„MTJ纳米柱中的STT诱导磁化反转效应。„临界电流的降低F.J.Albertetal.APL,77,3809(2000).„Co/Cu/Co三层膜纳米柱中的STT诱导磁化反转效应Co/Cu/Co纳米柱的结构为Cu(80nm)/Co(40nm)/Cu(6nm)/Co(2.5nm)。微加工刻蚀深度控制在底层Co的中间，如图(a)所示。微加工后的纳米柱的扫描电镜图片如图(b)，可以看出纳米柱尺寸约为60×130nm2。正电流方向是指电子由顶电极流向底电极的方向；反过来则是负电流方向。F.J.Albertetal.APL,77,3809(2000).„Co/Cu/Co三层膜纳米柱中的STT诱导磁化反转效应纳米柱在磁场下所表现的GMR行为，即微分电阻与磁场之间的关系。高电阻值对应于两个Co层磁化方向相反的状态，而低电阻值则对应于两Co层磁化平行的状态。APPAPP纳米柱的微分电阻随着所加电流出现有规则的高低变化。两图中高电阻值和低电阻值是相互对应的。这就说明电流的直接穿过的确引起了两个Co层磁化方向的改变。当正电流值达到临界电流=1.75mA时，电阻由低变高，即两Co层磁化方向由平行变为反平行；而当电流=-4.3mA时，电阻由高变低，即两Co层磁化方向由反平行变为平行。所对应的临界电流密度为2.2×107A/cm2和-5.5×107A/cm2，与理论结果相近。F.J.Albertetal.APL,77,3809(2000).Co/Cu/Co纳米柱的临界电流与磁场之间的关系Ic+是指诱导反平行磁化方向的临界电流值；Ic－是诱导平行磁化方向的临界电流值。随着磁场的增大，Ic+逐渐增加，Ic－的绝对值则逐渐减小。这是因为高的外磁场有利于纳米柱磁化平行取向。当外加磁场大于1000Oe后，已经观察不到回线形状，而只能观测到磁激发峰，所以Ic+=Ic－。因此，临界电流强烈依赖于外加磁场，说明实验现象是由于STT效应所引起的。„在具有钉扎层的SPV中测到STT诱导磁化反转行为‡“底电极/IrMn(10)/Co90Fe10(5)/Cu(6)/Co90Fe10(2.5)/顶电极”的CPPESPV纳米柱，(单位为nm)。纳米柱的尺寸为280×90nm2。ESPV有利于对其磁畴结构和磁化过程进行精确控制和降低其自由层的反转场。因为具有更高的灵敏度，ESPV已经作为计算机硬盘的读出磁头材料中得到大量的应用。ESPV还可能被用作将来新型存储器件的存储单元，所以如果能在其中实现STT诱导磁化反转将具有重要的应用意义。但是，由于反铁磁层的去极化作用，使得人们很难在ESPV中观察到STT诱导磁化反转效应。JiangY,AbeS,OchiaiT,etal.,PhysRev.Lett,92,167204(2004)„在具有钉扎层的SPV中测到STT诱导磁化反转行为-150-100-500501001509.209.229.249.269.289.309.329.34-500-25002505009.219.229.239.249.25H(Oe)I(mA)R(Ω)‡当电流增大到27mA(等效临界电流密度JAP→P=1.1×108A/cm2)时，纳米柱的电阻值由高变为低。而当反方向电流增大到-54mA(等效临界电流密度JP→AP=–2.1×108A/cm2)时，电阻则由低变高。这里高和低电阻值正好对应于GMR曲线中的高和低电阻值，说明外加电流的直接穿过确实引起2.5nm厚的Co90Fe10层磁矩的翻转。由于反铁磁层的存在，STT临界电流密度高达108A/cm2！‡插图为所制备的纳米柱在室温下的GMR曲线。纳米柱的磁电阻行为与其他文献报道结果类似。‡上图为去掉外加磁场，测量了纳米柱电阻值与直接穿过它的直流电流之间的关系。JiangY,AbeS,OchiaiT,etal.,PhysRev.Lett,92,167204(2004)„MTJ纳米柱中的STT诱导磁化反转效应‡2006年Huai等人分别在以Al2O3和MgO(001)为势垒层的正常电阻MTJ中实现了STT诱导磁化反转。样品结构分别为PtMn(20)/CoFe(2)/Ru(0.8)/CoFeB(2)/MgO/CoFeB(2.5)和PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFeB(2)/AlOx/CoFeB(2.5)(单位为nm)。‡利用脉冲电流进行的STT效应实验。在以MgO(001)为势垒的MTJ中，发现STT可以诱导隧穿电阻变化值最大可达160%‡2004年，美国Grandis公司的Huai等人和康奈尔大学的Fuchs等人同时在低电阻MTJ中观察到STT诱导磁化反转行为。‡以康奈尔大学的结果为例，他们的MTJ样品电阻值小于5Ωμm2，而产生STT效应的临界电流密度为(0.5-0.8)×107A/cm2×t/nm。发表于：FuchsGD,EmleyNC,KrivorotovIN,ApplPhysLett,85,1205(2004)所需要的临界电流密度与电流的脉冲宽度和热因子的关系可近似写为：20011lnBCCKkTHIIKVHττ−⎡⎤⎛⎞⎛⎞⎢⎥=−+⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦其中K=MSHK/2，是单轴各向异性能量密度；HK是有效各向异性场；τ为脉冲电流宽度；V是自由层体积；τ0是激活频率的倒数。如果脉冲宽度为30ms，则临界电流密度约为4.3×106A/cm2。„MTJ纳米柱中的STT诱导磁化反转效应