減少合成反鐵磁體中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和無場自旋軌道轉矩開關

正文

減少合成反鐵磁體(ti) 中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和無場自旋軌道轉矩開關(guan)

（本文譯自Reducing Dzyaloshinskii-Moriya interaction and field-free spin-orbit torque switching in synthetic antiferromagnets，NATURE COMMUNICATIONS | (2021) 12:3113 | https://doi.org/10.1038/s41467-021-23414-3 | www.nature.com/naturecommunications）

介紹

磁隧道結(MTJs)由於(yu) 具有較高的磁電阻1,2,3，被廣泛国产成人在线观看免费网站於(yu) 非易失性存儲(chu) 器、高級磁頭和傳(chuan) 感器等電子器件中。在傳(chuan) 統的MTJ結構中，可以通過自旋轉移力矩驅動電流通過MTJ4,5來切換鐵磁自由層。然而，MTJs中的鐵磁自由層受到基本的限製，特別是雜散場的相互作用阻礙了位元的尺寸，不利於(yu) 更高的存儲(chu) 密度和器件的進一步小型化。反鐵磁體(ti) 具有抗幹擾能力強、自旋動力學超快、開關(guan) 速度快等特點，其淨磁化強度為(wei) 零，雜散場可忽略，在可靠、高速、高密度信息存儲(chu) 方麵具有巨大的国产成人在线观看免费网站潛力6,7,8,9。然而，在反鐵磁功能層中，信息的讀寫(xie) 並不容易，研究者們(men) 麵臨(lin) 著兩(liang) 難的境地。雖然已經提出了幾種材料係統10,11，但仍難以通過實驗操作和可靠地檢測反鐵磁存儲(chu) 層。

SAF基於(yu) Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)相互作用12,13，其中頂部和底部的鐵磁體(ti) 通過具有適當厚度的非磁性間隔層進行反鐵磁耦合，結合了零雜散場和高穩定性的反鐵磁體(ti) 的優(you) 點，以及在鐵磁體(ti) 上易讀寫(xie) 的特點。事實上，利用SAF作為(wei) MTJ中的自由層，在降低臨(lin) 界開關(guan) 電流和提高熱穩定性方麵具有潛在的競爭(zheng) 優(you) 勢14,15。與(yu) 傳(chuan) 統的自旋轉移轉矩相比，自旋軌道轉矩被認為(wei) 是驅動疇壁運動和以更低功耗進行磁化開關(guan) 的有效方法16,17。到目前為(wei) 止，SOT誘導磁化開關(guan) 已經得到了廣泛的研究17,18,19,20,21,22,23,24,25,26和廣泛的工作已經消除在垂直磁各向異性SOT誘導磁化開關(guan) 過程中的輔助磁場，包括層間交換耦合的設計18，具有自旋旋轉對稱性的自旋軌道效應20,21，橫向結構不對稱22,23，平麵內(nei) 交換偏置24,25，以及具有相反自旋霍爾角的重金屬26。一些關(guan) 於(yu) SOT誘導SAF磁化開關(guan) 的研究已經被報道了27,28,29,30；然而，需要一個(ge) 相對較大的平麵內(nei) 磁場來打破這種對稱性。特別是外輔助場要克服交換耦合場和DMI相互作用(DMI)有效場的總和，才能實現確定性開關(guan) 28，使其無法国产成人在线观看免费网站。因此，在SAFs中無場SOT驅動的開關(guan) 仍有待實驗證明。

在這項工作中，我們(men) 係統地分析了如何利用SOT實現SAF中的無場磁化開關(guan) ，並成功地通過實驗證明了確定性開關(guan) 。結果表明，DMI的強度在疇壁結構中起重要作用，進而影響電流誘導磁化開關(guan) 。通過界麵工程，大大降低了重金屬與(yu) 鐵磁層之間的DMI，從(cong) 而減少了SOT感應磁化開關(guan) 所需的輔助場。當疇壁能量有效場與(yu) DMI有效場相比較時，疇壁表現為(wei) 介於(yu) Bloch-type和Néel-type之間的構型，易於(yu) 被外部輔助磁場操縱。在這種情況下，為(wei) 了在SAF中實現無場SOT開關(guan) ，設計了一種簡單的楔形重金屬結構方法來打破對稱性，從(cong) 而實現電流誘導的有效磁場。在楔形Pt薄膜上沉積的SAF結構呈現出均勻的垂直磁各向異性，在SAF中實現無場SOT開關(guan) 表現出穩定的圓形。我們(men) 相信，這些結果代表了在MTJ器件中利用垂直SAF作為(wei) 自由層並使功能SAF更接近潛在国产成人在线观看免费网站的重要一步。

結果

SAF中SOT感應磁化開關(guan) 模型

我們(men) 首先描述了在SAFs中實現無外場SOT切換的方法。在具有HM/FM層的傳(chuan) 統SOT異質結構中，SOT可以來源於(yu) 體(ti) 旋Hall效應(SHE)和界麵Rashba效應(33,34)，這導致了兩(liang) 個(ge) 正交成分: 類Slonczewski轉矩(類阻尼轉矩)m × m × σ，類場轉矩m × σ，其中m為(wei) 磁化單位矢量，σ為(wei) 自旋極化矢量。類阻尼力矩主要來源於(yu) SHE，負責電流驅動的疇壁運動和磁化開關(guan) 。在SAF結構中，頂部(TM)和底部(BM)磁層通過非磁性間隔層耦合，這兩(liang) 層的磁化強度一直反向平行排列，如圖1a所示。磁化開關(guan) 行為(wei) 可以從(cong) SHE和DMI的角度來解釋。由於(yu) HM/BM界麵的強自旋軌道耦合和由此產(chan) 生的DMI，BM疇壁“↓→↑”和“↑←↓”為(wei) Néel-type，具有左手手性。注入電流後，沿y軸方向具有自旋極化σ的電子聚集在FM層上，在疇壁中心形成麵外SOT有效場。考慮到DMI的強度，疇壁的結構可分為(wei) 兩(liang) 種類型。值得注意的是，當DMI有效場(HDMI)比域壁能量有效場(HDWE)大得多時，域壁首選Néel-type，而當HDMI與(yu) HDWE類似時，域壁表現為(wei) Néel-type和Bloch類型之間的狀態。在前一種情況下，可以通過調整平麵內(nei) 磁場的大小來實現磁化開關(guan) 或疇壁運動。當外場(Hext)小於(yu) HEX時，電流誘導的有效場在疇壁中心兩(liang) 側(ce) 方向相反，導致疇壁沿相同方向移動，如圖1a所示。逐漸增加磁場HDMI < Hext < HDMI +十六進製,中心域壁的磁化TM是同一方向旋轉而BM的磁化陣營仍然保持手性和確定性開關(guan) 不能實現,如圖1所示。最後，在圖1c中，由於(yu) 輔助磁場足夠大，可以克服HDMI和HEX的總和，因此TM和BM疇壁的中心矩都沿著外磁場方向排列。由於(yu) 疇壁手性的破壞，電流在“↓→↑”和“↑→↓”疇壁上產(chan) 生+z方向的有效場，導致SOT有效場下向上疇的擴展。這正是之前報道的SAF中實現SOT切換的機製28。

圖1:SAF中疇壁構型和扭矩示意圖

a-d在外部磁場下，垂直磁化的SAF納米線的頂部和底部磁性層中的DWs的示意圖，HDMI比HDWE (a-c)大得多，HDMI比HDWE (d)大得多。在HDMI比HDWE大得多的情況下，域壁的中心矩被旋轉到不同的方向，Hext < HEX (a)， HDMI < Hext < HDMI + HEX (b)， HDMI + HEX < Hext (c)。這裏，我們(men) 假設HEX < HDMI。HDWE、HDMI、HEX和Hext是疇壁能量有效場、界麵DMI有效場、交換耦合場、分別產(chan) 生HlgB、HlgT、HtsB、HtsT、HexB和HexT。e - j不同場方向及相應的縱向扭矩τlgB和τlgT (e, h)，橫向轉矩τtsB和τtsT (f, i)，交換轉矩τexB和τexT (g, j)，其中HDMI與(yu) HDWE相當。在每個(ge) 麵板中，上下圖分別對應TM和BM。

然而，最突出的問題是需要一個(ge) 大的外部磁場來打破對稱性，這使得它在国产成人在线观看免费网站上不切實際。我們(men) 接下來的問題是，是否可以提出一種簡單的方法來減少或消除SOT誘導SAF開關(guan) 的輔助磁場。如上所述，DMI的強度是決(jue) 定疇壁結構的一個(ge) 重要因素。我們(men) 現在關(guan) 注的是HDMI與(yu) HDWE的可比性。該係統中疇壁能量與(yu) DMI能量的競爭(zheng) 導致Néel-type與(yu) Bloch-type的疇壁矩對齊。結果，域壁上的力矩對外界場變得敏感，即使施加一個(ge) 小的平麵內(nei) 磁場，也可以操縱它們(men) 的對準，如圖1d所示。因此，“↓→↑”域壁可以在施加的電流下移動，然而，“↑⊙↓”域壁保持靜態，直到被遠方的域壁吞沒。最後，電流誘導SOT逆轉整個(ge) BM疇，並通過反鐵磁耦合同時切換TM的磁化強度。

另一方麵，SOC層產(chan) 生的自旋霍爾力矩導致BM和TM力矩從(cong) 平衡條件下旋轉，使其承受多個(ge) 力矩。圖1e-g為(wei) 主要由DMI有效場和外加磁場推導出的縱向場轉矩τlgT, DWE有效場推導出的橫向場轉矩τtsT，反鐵磁交換耦合場致交換力矩τexT分別作用於(yu) 頂磁矩。如圖1h-j所示，MB受到相應的有效場(HlgB、HtsB、HexB)和扭矩(τlgB、τtsB、τexB)的影響。結果表明，作用在疇壁中心力矩上的所有力矩都是沿z軸方向的，這有助於(yu) 疇壁的運動。此外，SAF結構中存在的交換力矩驅動TM和BM疇壁向同一方向運動，這有望顯著提高疇壁的運動速度35。考慮到這種更快的SOT輔助疇壁傳(chuan) 播將導致更高的磁化開關(guan) 速度36,SAF中的開關(guan) 很可能比其鐵磁對應物更快。

Dzyaloshinskii-Moriya相互作用有效場的測定

為(wei) 了找出HDMI對確定性SOT切換影響的來源，我們(men) 推導了SOT效率χ的Hext依賴關(guan) 係。圖2a顯示了在SAF結構中的下接域壁和上接域壁，其中Φ和Ψ是国产成人在线观看免费网站電流與(yu) 上接域壁和上接域壁之間的角度。考慮集體(ti) 疇壁模型，SAF中上下疇壁的總疇壁能量分別表示為(wei) ^28、37、38

其中，σB和σT為(wei) 上、下疇壁的Bloch型疇壁能量密度，KD為(wei) 疇壁各向異性能量密度，λ為(wei) 疇壁寬度，JEX為(wei) 層間耦合強度，HBDMI和HTDMI分別為(wei) BM和TM的DMI有效場。通過求解HDMI兩(liang) 種典型條件下的方程(補充注1)，圖2b分別描述了SAF樣本中比HDWE大得多的HDMI和比HDWE大得多的HDMI的SOT效率作為(wei) 外場的函數。對於(yu) 比HDWE大得多的HDMI，需要一個(ge) 外部輔助場來實現SOT切換; 然而，當HDMI與(yu) HDWE相比較時，電流誘導的SOT切換變得更容易，這與(yu) 前麵討論的結論一致。

然後重點研究了重金屬與(yu) 底層磁層之間的界麵DMI強度。通過直流磁控濺射和電子束蒸發分別沉積了Ta(2)/Pt(4)/[Co(0.46)/Pd(0.8)]2/Co(0.46)/Pd(2)和Ta(2)/Pt(4)/Co(0.3)/Pd(0.5)/Co(0.3)/Pd(2) /Pd(2)(單位nm)疊加層。為(wei) 了確定該係統中界麵DMI的有效場，我們(men) 測量了鐵磁層中的電流誘導SOT效率。當国产成人在线观看免费网站平麵內(nei) 輔助場時，SOT誘導的平麵外等效場可以在開關(guan) 效率中反映出來。在圖2c, d中，我們(men) 將SOT效率表示為(wei) 垂直鐵磁樣品的外場函數。插入的是鐵磁疊加薄膜的反常霍爾效應(AHE)曲線。這兩(liang) 個(ge) 樣品的AHE曲線典型的尖銳的方形表明了垂直磁各向異性特征。假設電流分布均勻，計算電流密度J。通過在薄膜平麵周圍旋轉固定幅度的外場來記錄霍爾電阻，從(cong) 而獲得Heff。值得注意的是，SOT誘導的確定性開關(guan) 不會(hui) 發生，直到一個(ge) 中等強度的Hext被国产成人在线观看免费网站。對於(yu) 電子束蒸發生長的樣品，觀測SOT等效場需要1 kOe的外場，而濺射樣品則需要350 Oe的外場。另一個(ge) 顯著的特點是，當外加電場達到2koe(電子束蒸發)和620oe(磁控濺射)時，兩(liang) 種係統的效率幾乎達到飽和。因此，通過計算(Hsat + Hint)/2得到的HDMI分別約為(wei) 1450 Oe和360 Oe，然後確定蒸發樣品的HDWE為(wei) 550 Oe，濺射樣品的HDWE為(wei) 260 Oe。Hsat是SOT效率達到飽和的外磁場，Hint是SOT效率產(chan) 生的初始磁場。有趣的是，濺射法生長的樣品所測得的HDMI比電子束蒸發法生長的樣品要小得多，其原因將在下麵詳細討論。

圖2:測定Dzyaloshinskii-Moriya相互作用有效場及計算SOT效率

a集體(ti) 域牆模型示意圖。Φ、Ψ為(wei) 国产成人在线观看免费网站電流與(yu) 上向下、下向上的疇壁之間的角度，Φ '、Ψ '為(wei) 對應方向相反的角度。b SAF樣品中，對於(yu) 比HDWE大得多的HDMI和與(yu) HDWE相似的HDMI, SOT效率作為(wei) 外場函數的計算結果。c, d電子束蒸發(c)和磁控濺射(d)生長鐵磁樣品的SOT效率與(yu) 外場的函數關(guan) 係。插圖是鐵磁樣品對應的歸一化AHE曲線。Hsat是SOT效率達到飽和的外磁場，Hint是SOT效率產(chan) 生的初始磁場。虛線是SOT效率從(cong) Hint到Hsat的擬合線。

SAF結構生長在楔形膜的頂部

基於(yu) 以上討論，由於(yu) 我們(men) 確認了濺射生長的樣品中的HDMI與(yu) HDWE相當，SAF中的SOT誘導磁化開關(guan) 變得更容易。本文通過直流磁控濺射製備了Ta(2)/Pt(楔形)/BM/Ru/(0.68)/TM/Ru(2)的SAF堆，BM為(wei) [Co(0.46)/Pd(0.8)]2/Co(0.46)， TM為(wei) Co(0.46)/Pd(0.8)]3/Co(0.46)。為(wei) 了實現反鐵磁耦合，選用厚度為(wei) 0.68 nm的間隔片Ru。樣品布局如圖3a所示，在沉積過程中，楔形Pt層通過移動擋板生長。如圖3b所示，當施加電流時，SHE和界麵Rashba效應產(chan) 生了兩(liang) 個(ge) 正交的有效場，分別對應於(yu) 類阻尼力矩和類場力矩，即HDLy和HFLx。此外，由於(yu) 楔形自旋軌道耦合(SOC)層，yz平麵的鏡麵對稱性被打破，從(cong) 而允許產(chan) 生一個(ge) 麵外有效場Heffz，其方向取決(jue) 於(yu) 電流極性。為(wei) 了檢驗在楔形鉑層上生長的SAF樣品的質量，利用磁光克爾效應(MOKE)對沉積態薄膜進行了研究。從(cong) 圖3d可以清楚地看出，BM和TM是反鐵磁耦合的，其中觀察到兩(liang) 個(ge) 開關(guan) 步驟，分別表示頂部和底部鐵磁層的獨立磁化開關(guan) 。零磁場下的可忽略淨磁化率表明兩(liang) 磁層的反平行排列不受外界磁場的影響。值得注意的是，不同厚度Pt的矯頑力和垂直磁各向異性幾乎沒有差異，說明生長在楔形結構上的SAF是均勻的。然後，利用光刻和氬離子蝕刻技術將多層膜加工成通道寬度為(wei) 5 μm的霍爾棒器件(圖3c)。圖3e是兩(liang) 個(ge) 完全補償(chang) 狀態在電測量中分離的反常霍爾效應曲線。這可以從(cong) BM和TM層的異常Hall係數不同來理解，這可以歸因於(yu) 樣品的生長條件。由於(yu) Ru28,42,43的自旋軌道耦合較小，在Ru上生長的[Co/Pd]多層膜的反常霍爾係數通常小於(yu) 在Pt上沉積的[Co/Pd]多層膜。

圖3:通過沉積一個(ge) 楔形的不對稱Pt層，電流誘導的平麵外有效磁場(H^eff_z)

a研究了Ta/Pt/[Co/Pd]2/Co/Ru/[Co/Pd]3/Co/Ru多層膜的原理圖。楔形Pt層是通過移動擋板生長的。b在所研究的SAF結構中平麵外自旋淨極化和有效磁場的產(chan) 生。HDLy和HFLx分別為(wei) 類阻尼磁場和類場磁場。Heffz為(wei) 有效垂直磁場，m為(wei) 磁化單位矢量。楔形Pt層允許Heffz的產(chan) 生。c霍爾杆示意圖及測量配置。I為(wei) 電流，V為(wei) 電壓參數，Hext為(wei) 外部磁場。d不同標稱Pt厚度下補償(chang) SAF樣品的麵外場(Hz)依賴的Kerr信號(θk)。試樣的反鐵磁耦合強度與(yu) 楔形層的厚度關(guan) 係不大。e SAF樣品沿z方向掃場時的RH曲線。插圖表示兩(liang) 個(ge) 反平行態的自旋構型。

電流誘導自旋軌道轉矩開關(guan)

現在我們(men) 轉向在SAF結構中利用SOT進行電流感應磁化開關(guan) 。在這些測量中，沿著y方向掃描電流脈衝(chong) 時記錄霍爾電阻，並沿電流方向施加外部磁場。圖4a中最顯著的特點是在沒有任何外部磁場的情況下實現了電流誘導的確定性磁化開關(guan) 。開關(guan) 為(wei) 順時針為(wei) 正Hext (+100 Oe)，逆時針為(wei) 負Hext和零場(-100 Oe和0 Oe)。特別是，對於(yu) 無場的情況，50ma的大正電流導致磁化的“↓↑”對中，在施加相應的負電流時，“↑↓”的低阻狀態是首選。值得注意的是，當電流平行於(yu) 楔形薄膜的梯度方向時，並沒有觀察到開關(guan) (補充圖1)，類似於(yu) 鐵磁體(ti) 中的非對稱結構誘導無場SOT開關(guan) 。為(wei) 了進一步計算出電流誘導的有效磁場，在垂直於(yu) 楔形薄膜梯度方向施加電流時測量了AHE。如圖4b所示，在+18 mA和-18 mA電流極性相反的情況下，磁滯回線分別向正負兩(liang) 個(ge) 方向移動，說明在SAF結構中電流誘導的Heffz方向相反。此外，在圖4c中觀察到電流誘導的平麵外有效磁場與(yu) 施加的電流呈線性關(guan) 係。Heffz是通過提取AHE曲線的零場偏移量得到的。此外，通過在器件上連續施加正、負電流脈衝(chong) ，研究了這種無場SOT開關(guan) 的可重複性。圖4d為(wei) 零場連續SOT開關(guan) ，電流脈衝(chong) 持續時間為(wei) 1 ms，周期為(wei) 3 s。顯然，在一係列電流脈衝(chong) 的作用下，高阻和低阻狀態(對應於(yu) TM和BM的兩(liang) 個(ge) 反平行矩排列)可以循環切換。為(wei) 了進一步證實上述傳(chuan) 輸信號是由SOT誘導的磁化開關(guan) 產(chan) 生的，而不是由非磁源產(chan) 生的某些電信號。我們(men) 使用MOKE顯微鏡檢查一個(ge) 未補償(chang) SAF樣品(補充注釋2)在SOT開關(guan) 前後的磁化狀態。施加正、負電流脈衝(chong) 後霍爾通道的循環對比變化進一步證實了SAF結構中的全SOT開關(guan) 。因此，我們(men) 得出結論，生長在楔形SOC層上的SAF結構具有均勻的各向異性，並在沒有外部電場的情況下表現出相當穩定的電流誘導磁化開關(guan) 性能，使SAF更接近潛在的国产成人在线观看免费网站。

圖4:無場自旋軌道轉矩開關(guan)

a不同外輔助磁場下的SOT開關(guan) 。b在相反的電流極性測量的反常霍爾效應。RH為(wei) 歸一化異常霍耳電阻，HZ為(wei) 施加的平麵外磁場。該器件的Pt厚度為(wei) 4.43 nm。c国产成人在线观看免费网站電流依賴電流誘導垂直有效磁場，呈線性關(guan) 係。d零場可重複SOT開關(guan) 在連續的電流脈衝(chong) 與(yu) 相反極性。電流脈衝(chong) 的持續時間為(wei) 1ms，周期為(wei) 3s。

界麵表征和第一性原理計算

為(wei) 了進一步理解DMI工程的機理，進行了微觀結構表征和第一性原理計算。采用電子束蒸發法和磁控濺射法分別生長了Ta/Pt/[Co/Pd]3和Ta/Pt/[Co/Pd]2/Co/Ru/[Co/Pd]3/Co/Ru堆，如圖5a和圖b所示。電子束蒸發法製備的Pt和[Co/Pd]多層膜具有一致的晶格條紋，結晶度優(you) 於(yu) 磁控濺射法製備的多層膜。

因此，這兩(liang) 種方法在Pt和Co界麵上的原子排列差異很大，導致DMI的變化，其強度受界麵條件的顯著影響45,46。為(wei) 了進一步研究界麵粗糙度對Co/Pt結構DMI的影響，我們(men) 通過混合界麵原子構建了一係列界麵結晶度不同的異質結構，如圖5c插頁所示。通過比較6 × 1 超晶胞(補充圖3)中順時針(CW)和逆時針(ACW)手性自旋構型的能量差，提取DMI強度d，得到相應的公式:

隨著界麵Co-Pt混合的增加，d不斷減小(圖5c中紅線)，這與(yu) 結晶度越高，DMI越大的實驗觀察結果一致。為(wei) 了了解界麵DMI的變化機理，我們(men) 計算了不同手性自旋織構之間的層分辨SOC能量差△Esoc。如圖5d所示，界麵結晶度完美時，DMI的主要貢獻來自相鄰的Pt層，這與(yu) Fert-Levy模型45一致。極化電子通過中間的Pt原子在Co原子之間轉移，這些電子的自旋方向被Pt的大自旋軌道耦合所分散。當界麵Pt與(yu) Co原子混合時，Co - Co - Pt三重態被打破，導致Pt層對CW手性DMI的貢獻減小，不同層的△Esoc開始相互抵消。我們(men) 還計算了界麵Pt層中各原子的△Esoc，如圖5e-h所示。隨著界麵結晶度的降低，各Pt原子對CW手性DMI的貢獻減少，Pt原子和混合Co原子對DMI的貢獻開始相互抵消，導致圖1d中界麵Pt層DMI的減少。

圖5:基於(yu) 第一性原理計算的DMI橫截麵TEM圖像及能量來源

a, b分別通過磁控濺射(a)和電子束蒸發(b)生長SAF和鐵磁結構的高分辨率TEM圖像。TEM圖像中的標尺對應5 nm。總DMI係數d (c)，隨著界麵粗糙度的增加，Pt/Co異質結構的層分辨SOC能差△手性相反的Esoc (d)。當摻雜Co原子時，界麵Pt層中各原子的原子分辨△E_soc。

討論

綜上所述，我們(men) 係統地證明了垂直合成反鐵磁結構中的確定性無場磁化開關(guan) ，其中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的定製強度在配置疇壁中起主要作用，提高了自旋軌道轉矩效率。當疇壁能量有效場與(yu) DMI有效場相當時，疇壁呈現出介於(yu) Bloch型和Néel型之間的結構，易於(yu) 被外界場控製。通過在楔形SOC層上沉積[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]/Ru結構，得到了各向異性均勻的完全補償(chang) 的SAF，最終實現了無外場的SOT誘導磁化開關(guan) ，這對實際国产成人在线观看免费网站具有重要意義(yi) 。我們(men) 還發現，DMI的強度與(yu) Pt/Co界麵的結晶度密切相關(guan) ，混合界麵有利於(yu) 較弱的DMI，這有利於(yu) 無場SOT切換。我們(men) 的工作為(wei) 垂直SAF在SOT器件中的国产成人在线观看免费网站提供了一條切實可行的途徑，為(wei) 高密度、低雜散場、低功耗的磁記憶器件的發展奠定了基礎。

方法

樣品製備

采用直流磁控濺射法在5 mm × 5 mm MgO襯底上製備楔形Ta/Pt/[Co/Pd]2/Co/Ru/[Co/Pd]3/Co/Ru SAF薄膜，在基底真空優(you) 於(yu) 8.0 × 10−5 mTorr的條件下，工作氬氣壓力為(wei) 3 mTorr。楔形Pt層是在沉積過程中通過移動擋板生長的。采用電子束蒸發法製備了Ta/Pt/[Co/Pd]2/Co/Pd鐵磁堆，基壓為(wei) 5 × 10−6 mTorr。設備是通過標準光刻和隨後的氬離子銑削的方式。

磁化和輸運測量

在5 μm通道寬度的霍爾十字槽中，通過四點測量，在室溫下對異常霍爾效應和電流誘導磁化開關(guan) 進行了研究。磁疇圖像和磁滯回線是使用VERTISIS MagVision Kerr成像係統捕獲的，該係統利用磁光Kerr效應在極性配置中工作。在極性配置中，平麵外磁化被探測，並在圖像中觀察到不同亮度水平。

第一原理計算

我們(men) 的第一性原理計算是使用Vienna Ab-initio模擬軟件(VASP)47,48,49，在密度泛函理論(DFT)的框架內(nei) 進行的。用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)泛函的廣義(yi) 梯度近似(GGA)處理交換和相關(guan) 泛函50,51。平麵波展開的能量截止點設置為(wei) 350eV，我們(men) 計算6 × 1超晶胞的DMI時采用Г-centered k點網格，網格尺寸為(wei) 3 × 18 × 1，如圖3補充圖。采用大於(yu) 15Å的真空空間，以避免兩(liang) 個(ge) 相鄰板之間的相互作用。進行幾何優(you) 化，直到赫爾曼-費曼力小於(yu) 0.01 eV，總能量收斂精度設置為(wei) 10−7 eV。利用約束自旋-螺旋超晶胞方法計算了DMI的強度。

數據有效性

支持本研究結果的數據可在相應作者的合理要求下獲得。

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