納米接觸磁隧道結中自旋轉移力矩驅動的高階傳播自旋波

      早期的磁隧道結依靠磁場實現磁化翻轉，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, 難以在納米級磁隧道結中推廣應用。1996年, Slonczewski和Berger從理論上預測了一種被稱為自旋轉移矩（Spin Transfer Torque, STT）的純電學的磁隧道結寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場寫入的缺點，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, 自旋轉移矩在實驗上被用于實現金屬多層膜的磁化翻轉[1]?；诖诵?，一種新型的微波振蕩器被提出來，即自旋轉移力矩納米振蕩器（STNO），利用自旋極化電流誘導納米磁體磁矩翻轉，從而實現了微波振蕩。

      STNO的典型結構采用一個三明治結構“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM”來實現，因為內部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要10⁶ - 10⁸ A /cm²級的大電流密度，這可以通過在三層膜上使用納米觸點對電流實現空間壓縮來實現，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)高一個或多個數量級，為了實現高效的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(MTJ)。

圖1：a.普通納米觸點振蕩器結構；b.寬邊帽納米觸點振蕩器結構；c.磁滯回線；d.磁電阻測試：內嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內磁場關系。（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

      與頂部金屬層相比，MTJ隧穿勢壘的導電性相對較低，導致普通納米觸點的大橫向電流分流（圖1a）。為了使更多的電流通過MTJ，哥德堡大學物理系的J. Åkerman課題組采用了寬邊帽結構納米觸點，當MTJ覆蓋層從納米觸點向外延伸時，帽狀帽層逐漸變薄，并使用一層1.5Ωm²低阻面積(RA)產品的MgO進一步促進隧穿勢壘(圖1b)。

圖2：不同驅動電流下功率譜密度和磁場關系，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）

      所得到的器件表現出與納米觸點STNO相關的典型自旋波模式，在不同驅動電流下觀測到兩個二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖2），這兩種模式的波長估計分別為120和74納米，比150納米觸點小得多。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度。

      值得注意的是，該研究的鐵磁共振測試使用了瑞典NanOsc公司的CryoFMR結合美國Montana公司的超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器，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試（如圖3），用戶可以快速有效的獲取阻尼系數α，以及有效磁矩 Meff，旋磁比γ，非均勻展寬ΔHo等動態(tài)磁學參數，也可以表征靜態(tài)磁學性能，如飽和磁化強度Ms等。此外，NanOsc公司的FMR測試系統(tǒng)還可以搭配電磁鐵、PPMS、VersaLab等平臺進行常溫或低溫下的鐵磁共振測試。

圖3：CryoFMR+Montana恒溫器

      NanOsc公司注重用戶的使用體驗，許多用戶有反饋鐵磁共振測試系統(tǒng)只能固定頻率來進行磁場掃描，是否可以增加固定磁場來掃頻率的功能。經過大半年的時間，NanOsc公司完成了設備的升級與測試，兩種模式下的測試結果匹配度非常高（如圖4，如需更多測試結果，請與我們聯系）。未來正式發(fā)布的新的鐵磁共振測試系統(tǒng)可以實現固定磁場掃頻率的功能，原來已購買的系統(tǒng)可以進行付費升級。

圖4 ：NanOsc鐵磁共振測試10nm NiFe
上：固定頻率掃磁場模式 下：固定磁場掃頻率模式

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