納米接觸磁隧道結(jié)中自旋轉(zhuǎn)移力矩驅(qū)動(dòng)的高階傳播自旋波

      早期的磁隧道結(jié)依靠磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，這種方式往往功耗較高，隨著工藝尺寸減小, 寫入電流將急劇增大, 難以在納米級(jí)磁隧道結(jié)中推廣應(yīng)用。1996年, Slonczewski和Berger從理論上預(yù)測(cè)了一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin Transfer Torque, STT）的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場(chǎng)寫入的缺點(diǎn)，并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后, 自旋轉(zhuǎn)移矩在實(shí)驗(yàn)上被用于實(shí)現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉(zhuǎn)[1]?；诖诵?yīng)，一種新型的微波振蕩器被提出來，即自旋轉(zhuǎn)移力矩納米振蕩器（STNO），利用自旋極化電流誘導(dǎo)納米磁體磁矩翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了微波振蕩。

      STNO的典型結(jié)構(gòu)采用一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM”來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮?nèi)部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要10⁶ - 10⁸ A /cm²級(jí)的大電流密度，這可以通過在三層膜上使用納米觸點(diǎn)對(duì)電流實(shí)現(xiàn)空間壓縮來實(shí)現(xiàn)，這也是小型化磁振子器件中最有效的自旋波注入器。隧穿磁電阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)，為了實(shí)現(xiàn)高效的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(jié)(MTJ)。

圖1：a.普通納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；b.寬邊帽納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；c.磁滯回線；d.磁電阻測(cè)試：內(nèi)嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內(nèi)磁場(chǎng)關(guān)系。（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

      與頂部金屬層相比，MTJ隧穿勢(shì)壘的導(dǎo)電性相對(duì)較低，導(dǎo)致普通納米觸點(diǎn)的大橫向電流分流（圖1a）。為了使更多的電流通過MTJ，哥德堡大學(xué)物理系的J. Åkerman課題組采用了寬邊帽結(jié)構(gòu)納米觸點(diǎn)，當(dāng)MTJ覆蓋層從納米觸點(diǎn)向外延伸時(shí)，帽狀帽層逐漸變薄，并使用一層1.5Ωm²低阻面積(RA)產(chǎn)品的MgO進(jìn)一步促進(jìn)隧穿勢(shì)壘(圖1b)。

圖2：不同驅(qū)動(dòng)電流下功率譜密度和磁場(chǎng)關(guān)系，a Idc= −5 mA, b Idc =−6 mA, c Idc= −7 mA, d Idc = −8 mA, e Idc = −9 mA, and f Idc =−10 mA.（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

      所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點(diǎn)STNO相關(guān)的典型自旋波模式，在不同驅(qū)動(dòng)電流下觀測(cè)到兩個(gè)二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖2），這兩種模式的波長(zhǎng)估計(jì)分別為120和74納米，比150納米觸點(diǎn)小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在極高的頻率下工作，并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長(zhǎng)度。

      值得注意的是，該研究的鐵磁共振測(cè)試使用了瑞典NanOsc公司的CryoFMR結(jié)合美國(guó)Montana公司的超精細(xì)多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器，可以提供0.7T以上，10K~350K的變溫，以及2~40GHz的高精度鐵磁共振測(cè)試（如圖3），用戶可以快速有效的獲取阻尼系數(shù)α，以及有效磁矩 Meff，旋磁比γ，非均勻展寬ΔHo等動(dòng)態(tài)磁學(xué)參數(shù)，也可以表征靜態(tài)磁學(xué)性能，如飽和磁化強(qiáng)度Ms等。此外，NanOsc公司的FMR測(cè)試系統(tǒng)還可以搭配電磁鐵、PPMS、VersaLab等平臺(tái)進(jìn)行常溫或低溫下的鐵磁共振測(cè)試。

圖3：CryoFMR+Montana恒溫器

      NanOsc公司注重用戶的使用體驗(yàn)，許多用戶有反饋鐵磁共振測(cè)試系統(tǒng)只能固定頻率來進(jìn)行磁場(chǎng)掃描，是否可以增加固定磁場(chǎng)來掃頻率的功能。經(jīng)過大半年的時(shí)間，NanOsc公司完成了設(shè)備的升級(jí)與測(cè)試，兩種模式下的測(cè)試結(jié)果匹配度非常高（如圖4，如需更多測(cè)試結(jié)果，請(qǐng)與我們聯(lián)系）。未來正式發(fā)布的新的鐵磁共振測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)固定磁場(chǎng)掃頻率的功能，原來已購(gòu)買的系統(tǒng)可以進(jìn)行付費(fèi)升級(jí)。

圖4 ：NanOsc鐵磁共振測(cè)試10nm NiFe
上：固定頻率掃磁場(chǎng)模式 下：固定磁場(chǎng)掃頻率模式

參考文獻(xiàn)：
[1] 趙巍勝,王昭昊,彭守仲, 王樂知, 常亮, 張有光, STT-MRAM存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展.中國(guó)科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué) 46, 107306 (2016 )
[2] Houshang, A. , J. Åkerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374