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

正文

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

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

介紹

磁隧道結(jié)(MTJs)由于具有較高的磁電阻1,2,3，被廣泛應(yīng)用于非易失性存儲器阻桅、高級磁頭和傳感器等電子器件中凉倚。在傳統(tǒng)的MTJ結(jié)構(gòu)中，可以通過自旋轉(zhuǎn)移力矩驅(qū)動電流通過MTJ4,5來切換鐵磁自由層嫂沉。然而稽寒，MTJs中的鐵磁自由層受到基本的限制，特別是雜散場的相互作用阻礙了位元的尺寸趟章，不利于更高的存儲密度和器件的進一步小型化杏糙。反鐵磁體具有抗干擾能力強、自旋動力學(xué)超快尤揣、開關(guān)速度快等特點搔啊，其凈磁化強度為零柬祠，雜散場可忽略北戏，在可靠、高速漫蛔、高密度信息存儲方面具有巨大的應(yīng)用潛力6,7,8,9嗜愈。然而旧蛾，在反鐵磁功能層中，信息的讀寫并不容易蠕嫁，研究者們面臨著兩難的境地锨天。雖然已經(jīng)提出了幾種材料系統(tǒng)10,11，但仍難以通過實驗操作和可靠地檢測反鐵磁存儲層剃毒。

SAF基于Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)相互作用12,13病袄，其中頂部和底部的鐵磁體通過具有適當(dāng)厚度的非磁性間隔層進行反鐵磁耦合，結(jié)合了零雜散場和高穩(wěn)定性的反鐵磁體的優(yōu)點赘阀，以及在鐵磁體上易讀寫的特點益缠。事實上，利用SAF作為MTJ中的自由層基公，在降低臨界開關(guān)電流和提高熱穩(wěn)定性方面具有潛在的競爭優(yōu)勢14,15幅慌。與傳統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩相比，自旋軌道轉(zhuǎn)矩被認為是驅(qū)動疇壁運動和以更低功耗進行磁化開關(guān)的有效方法16,17轰豆。到目前為止胰伍，SOT誘導(dǎo)磁化開關(guān)已經(jīng)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(jīng)消除在垂直磁各向異性SOT誘導(dǎo)磁化開關(guān)過程中的輔助磁場，包括層間交換耦合的設(shè)計18酸休，具有自旋旋轉(zhuǎn)對稱性的自旋軌道效應(yīng)20,21骂租，橫向結(jié)構(gòu)不對稱22,23，平面內(nèi)交換偏置24,25斑司，以及具有相反自旋霍爾角的重金屬26菩咨。一些關(guān)于SOT誘導(dǎo)SAF磁化開關(guān)的研究已經(jīng)被報道了27,28,29,30；然而陡厘，需要一個相對較大的平面內(nèi)磁場來打破這種對稱性抽米。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(xiàn)確定性開關(guān)28糙置，使其無法應(yīng)用云茸。因此，在SAFs中無場SOT驅(qū)動的開關(guān)仍有待實驗證明谤饭。

在這項工作中标捺，我們系統(tǒng)地分析了如何利用SOT實現(xiàn)SAF中的無場磁化開關(guān)，并成功地通過實驗證明了確定性開關(guān)揉抵。結(jié)果表明亡容，DMI的強度在疇壁結(jié)構(gòu)中起重要作用，進而影響電流誘導(dǎo)磁化開關(guān)冤今。通過界面工程闺兢，大大降低了重金屬與鐵磁層之間的DMI，從而減少了SOT感應(yīng)磁化開關(guān)所需的輔助場戏罢。當(dāng)疇壁能量有效場與DMI有效場相比較時屋谭，疇壁表現(xiàn)為介于Bloch-type和Néel-type之間的構(gòu)型脚囊，易于被外部輔助磁場操縱。在這種情況下桐磁，為了在SAF中實現(xiàn)無場SOT開關(guān)悔耘，設(shè)計了一種簡單的楔形重金屬結(jié)構(gòu)方法來打破對稱性，從而實現(xiàn)電流誘導(dǎo)的有效磁場我擂。在楔形Pt薄膜上沉積的SAF結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出均勻的垂直磁各向異性衬以，在SAF中實現(xiàn)無場SOT開關(guān)表現(xiàn)出穩(wěn)定的圓形。我們相信校摩，這些結(jié)果代表了在MTJ器件中利用垂直SAF作為自由層并使功能SAF更接近潛在應(yīng)用的重要一步泄鹏。

結(jié)果

SAF中SOT感應(yīng)磁化開關(guān)模型

我們首先描述了在SAFs中實現(xiàn)無外場SOT切換的方法。在具有HM/FM層的傳統(tǒng)SOT異質(zhì)結(jié)構(gòu)中秧耗，SOT可以來源于體旋Hall效應(yīng)(SHE)和界面Rashba效應(yīng)(33,34)备籽，這導(dǎo)致了兩個正交成分: 類Slonczewski轉(zhuǎn)矩(類阻尼轉(zhuǎn)矩)m × m × σ，類場轉(zhuǎn)矩m × σ分井，其中m為磁化單位矢量车猬，σ為自旋極化矢量。類阻尼力矩主要來源于SHE尺锚，負責(zé)電流驅(qū)動的疇壁運動和磁化開關(guān)珠闰。在SAF結(jié)構(gòu)中，頂部(TM)和底部(BM)磁層通過非磁性間隔層耦合瘫辩，這兩層的磁化強度一直反向平行排列伏嗜，如圖1a所示。磁化開關(guān)行為可以從SHE和DMI的角度來解釋伐厌。由于HM/BM界面的強自旋軌道耦合和由此產(chǎn)生的DMI承绸，BM疇壁“↓→↑”和“↑←↓”為Néel-type，具有左手手性挣轨。注入電流后军熏，沿y軸方向具有自旋極化σ的電子聚集在FM層上，在疇壁中心形成面外SOT有效場卷扮〉磁欤考慮到DMI的強度，疇壁的結(jié)構(gòu)可分為兩種類型晤锹。值得注意的是摩幔，當(dāng)DMI有效場(HDMI)比域壁能量有效場(HDWE)大得多時，域壁首選Néel-type鞭铆，而當(dāng)HDMI與HDWE類似時或衡，域壁表現(xiàn)為Néel-type和Bloch類型之間的狀態(tài)。在前一種情況下冈欢，可以通過調(diào)整平面內(nèi)磁場的大小來實現(xiàn)磁化開關(guān)或疇壁運動审磁。當(dāng)外場(Hext)小于HEX時憨愉，電流誘導(dǎo)的有效場在疇壁中心兩側(cè)方向相反，導(dǎo)致疇壁沿相同方向移動澄港，如圖1a所示。逐漸增加磁場HDMI < Hext < HDMI +十六進制,中心域壁的磁化TM是同一方向旋轉(zhuǎn)而BM的磁化陣營仍然保持手性和確定性開關(guān)不能實現(xiàn),如圖1所示柄沮。最后回梧，在圖1c中，由于輔助磁場足夠大祖搓，可以克服HDMI和HEX的總和狱意，因此TM和BM疇壁的中心矩都沿著外磁場方向排列。由于疇壁手性的破壞拯欧，電流在“↓→↑”和“↑→↓”疇壁上產(chǎn)生+z方向的有效場详囤，導(dǎo)致SOT有效場下向上疇的擴展。這正是之前報道的SAF中實現(xiàn)SOT切換的機制28镐作。

圖1:SAF中疇壁構(gòu)型和扭矩示意圖

a-d在外部磁場下藏姐，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)大得多该贾，HDMI比HDWE (d)大得多羔杨。在HDMI比HDWE大得多的情況下，域壁的中心矩被旋轉(zhuǎn)到不同的方向杨蛋，Hext < HEX (a)兜材， HDMI < Hext < HDMI + HEX (b)， HDMI + HEX < Hext (c)逞力。這里曙寡，我們假設(shè)HEX < HDMI。HDWE寇荧、HDMI卵皂、HEX和Hext是疇壁能量有效場、界面DMI有效場砚亭、交換耦合場灯变、分別產(chǎn)生HlgB、HlgT捅膘、HtsB添祸、HtsT、HexB和HexT寻仗。e - j不同場方向及相應(yīng)的縱向扭矩τlgB和τlgT (e, h)刃泌，橫向轉(zhuǎn)矩τtsB和τtsT (f, i)，交換轉(zhuǎn)矩τexB和τexT (g, j)，其中HDMI與HDWE相當(dāng)耙替。在每個面板中亚侠，上下圖分別對應(yīng)TM和BM。

然而俗扇，最突出的問題是需要一個大的外部磁場來打破對稱性硝烂，這使得它在應(yīng)用上不切實際。我們接下來的問題是铜幽，是否可以提出一種簡單的方法來減少或消除SOT誘導(dǎo)SAF開關(guān)的輔助磁場滞谢。如上所述，DMI的強度是決定疇壁結(jié)構(gòu)的一個重要因素除抛。我們現(xiàn)在關(guān)注的是HDMI與HDWE的可比性狮杨。該系統(tǒng)中疇壁能量與DMI能量的競爭導(dǎo)致Néel-type與Bloch-type的疇壁矩對齊。結(jié)果到忽，域壁上的力矩對外界場變得敏感橄教，即使施加一個小的平面內(nèi)磁場，也可以操縱它們的對準(zhǔn)喘漏，如圖1d所示颤陶。因此，“↓→↑”域壁可以在施加的電流下移動陷遮，然而滓走，“↑⊙↓”域壁保持靜態(tài)，直到被遠方的域壁吞沒帽馋。最后搅方，電流誘導(dǎo)SOT逆轉(zhuǎn)整個BM疇，并通過反鐵磁耦合同時切換TM的磁化強度绽族。

另一方面姨涡，SOC層產(chǎn)生的自旋霍爾力矩導(dǎo)致BM和TM力矩從平衡條件下旋轉(zhuǎn)，使其承受多個力矩吧慢。圖1e-g為主要由DMI有效場和外加磁場推導(dǎo)出的縱向場轉(zhuǎn)矩τlgT, DWE有效場推導(dǎo)出的橫向場轉(zhuǎn)矩τtsT涛漂，反鐵磁交換耦合場致交換力矩τexT分別作用于頂磁矩。如圖1h-j所示检诗，MB受到相應(yīng)的有效場(HlgB匈仗、HtsB、HexB)和扭矩(τlgB逢慌、τtsB悠轩、τexB)的影響。結(jié)果表明攻泼，作用在疇壁中心力矩上的所有力矩都是沿z軸方向的火架，這有助于疇壁的運動鉴象。此外，SAF結(jié)構(gòu)中存在的交換力矩驅(qū)動TM和BM疇壁向同一方向運動何鸡，這有望顯著提高疇壁的運動速度35纺弊。考慮到這種更快的SOT輔助疇壁傳播將導(dǎo)致更高的磁化開關(guān)速度36,SAF中的開關(guān)很可能比其鐵磁對應(yīng)物更快骡男。

Dzyaloshinskii-Moriya相互作用有效場的測定

為了找出HDMI對確定性SOT切換影響的來源淆游，我們推導(dǎo)了SOT效率χ的Hext依賴關(guān)系。圖2a顯示了在SAF結(jié)構(gòu)中的下接域壁和上接域壁洞翩，其中Φ和Ψ是應(yīng)用電流與上接域壁和上接域壁之間的角度稽犁⊙嫱考慮集體疇壁模型骚亿，SAF中上下疇壁的總疇壁能量分別表示為^{28、37熊赖、38}

其中来屠，σB和σT為上、下疇壁的Bloch型疇壁能量密度震鹉，KD為疇壁各向異性能量密度俱笛，λ為疇壁寬度，JEX為層間耦合強度传趾，HBDMI和HTDMI分別為BM和TM的DMI有效場迎膜。通過求解HDMI兩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效率作為外場的函數(shù)浆兰。對于比HDWE大得多的HDMI磕仅，需要一個外部輔助場來實現(xiàn)SOT切換; 然而，當(dāng)HDMI與HDWE相比較時簸呈，電流誘導(dǎo)的SOT切換變得更容易榕订，這與前面討論的結(jié)論一致。

然后重點研究了重金屬與底層磁層之間的界面DMI強度蜕便。通過直流磁控濺射和電子束蒸發(fā)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)疊加層劫恒。為了確定該系統(tǒng)中界面DMI的有效場，我們測量了鐵磁層中的電流誘導(dǎo)SOT效率轿腺。當(dāng)應(yīng)用平面內(nèi)輔助場時两嘴，SOT誘導(dǎo)的平面外等效場可以在開關(guān)效率中反映出來。在圖2c, d中族壳，我們將SOT效率表示為垂直鐵磁樣品的外場函數(shù)溶诞。插入的是鐵磁疊加薄膜的反常霍爾效應(yīng)(AHE)曲線决侈。這兩個樣品的AHE曲線典型的尖銳的方形表明了垂直磁各向異性特征螺垢。假設(shè)電流分布均勻喧务，計算電流密度J。通過在薄膜平面周圍旋轉(zhuǎn)固定幅度的外場來記錄霍爾電阻枉圃，從而獲得Heff功茴。值得注意的是，SOT誘導(dǎo)的確定性開關(guān)不會發(fā)生孽亲，直到一個中等強度的Hext被應(yīng)用坎穿。對于電子束蒸發(fā)生長的樣品，觀測SOT等效場需要1 kOe的外場返劲，而濺射樣品則需要350 Oe的外場玲昧。另一個顯著的特點是，當(dāng)外加電場達到2koe(電子束蒸發(fā))和620oe(磁控濺射)時篮绿，兩種系統(tǒng)的效率幾乎達到飽和孵延。因此，通過計算(Hsat + Hint)/2得到的HDMI分別約為1450 Oe和360 Oe亲配，然后確定蒸發(fā)樣品的HDWE為550 Oe尘应，濺射樣品的HDWE為260 Oe。Hsat是SOT效率達到飽和的外磁場吼虎，Hint是SOT效率產(chǎn)生的初始磁場犬钢。有趣的是，濺射法生長的樣品所測得的HDMI比電子束蒸發(fā)法生長的樣品要小得多思灰，其原因?qū)⒃谙旅嬖敿氂懻摗?/p>

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

a集體域墻模型示意圖玷犹。Φ、Ψ為應(yīng)用電流與上向下洒疚、下向上的疇壁之間的角度歹颓，Φ '、Ψ '為對應(yīng)方向相反的角度拳亿。b SAF樣品中晴股，對于比HDWE大得多的HDMI和與HDWE相似的HDMI, SOT效率作為外場函數(shù)的計算結(jié)果。c, d電子束蒸發(fā)(c)和磁控濺射(d)生長鐵磁樣品的SOT效率與外場的函數(shù)關(guān)系肺魁。插圖是鐵磁樣品對應(yīng)的歸一化AHE曲線电湘。Hsat是SOT效率達到飽和的外磁場，Hint是SOT效率產(chǎn)生的初始磁場鹅经。虛線是SOT效率從Hint到Hsat的擬合線寂呛。

SAF結(jié)構(gòu)生長在楔形膜的頂部

基于以上討論，由于我們確認了濺射生長的樣品中的HDMI與HDWE相當(dāng)瘾晃，SAF中的SOT誘導(dǎo)磁化開關(guān)變得更容易贷痪。本文通過直流磁控濺射制備了Ta(2)/Pt(楔形)/BM/Ru/(0.68)/TM/Ru(2)的SAF堆，BM為[Co(0.46)/Pd(0.8)]2/Co(0.46)蹦误， TM為Co(0.46)/Pd(0.8)]3/Co(0.46)劫拢。為了實現(xiàn)反鐵磁耦合肉津，選用厚度為0.68 nm的間隔片Ru。樣品布局如圖3a所示舱沧，在沉積過程中妹沙，楔形Pt層通過移動擋板生長。如圖3b所示熟吏，當(dāng)施加電流時距糖，SHE和界面Rashba效應(yīng)產(chǎn)生了兩個正交的有效場，分別對應(yīng)于類阻尼力矩和類場力矩牵寺，即HDLy和HFLx悍引。此外，由于楔形自旋軌道耦合(SOC)層帽氓，yz平面的鏡面對稱性被打破趣斤，從而允許產(chǎn)生一個面外有效場Heffz，其方向取決于電流極性杏节。為了檢驗在楔形鉑層上生長的SAF樣品的質(zhì)量唬渗，利用磁光克爾效應(yīng)(MOKE)對沉積態(tài)薄膜進行了研究典阵。從圖3d可以清楚地看出奋渔，BM和TM是反鐵磁耦合的，其中觀察到兩個開關(guān)步驟壮啊，分別表示頂部和底部鐵磁層的獨立磁化開關(guān)嫉鲸。零磁場下的可忽略凈磁化率表明兩磁層的反平行排列不受外界磁場的影響。值得注意的是歹啼，不同厚度Pt的矯頑力和垂直磁各向異性幾乎沒有差異玄渗，說明生長在楔形結(jié)構(gòu)上的SAF是均勻的。然后狸眼，利用光刻和氬離子蝕刻技術(shù)將多層膜加工成通道寬度為5 μm的霍爾棒器件(圖3c)藤树。圖3e是兩個完全補償狀態(tài)在電測量中分離的反常霍爾效應(yīng)曲線拓萌。這可以從BM和TM層的異常Hall系數(shù)不同來理解岁钓，這可以歸因于樣品的生長條件。由于Ru28,42,43的自旋軌道耦合較小微王，在Ru上生長的[Co/Pd]多層膜的反陈畔蓿霍爾系數(shù)通常小于在Pt上沉積的[Co/Pd]多層膜。

圖3:通過沉積一個楔形的不對稱Pt層炕倘，電流誘導(dǎo)的平面外有效磁場(H^eff_z)

a研究了Ta/Pt/[Co/Pd]2/Co/Ru/[Co/Pd]3/Co/Ru多層膜的原理圖钧大。楔形Pt層是通過移動擋板生長的。b在所研究的SAF結(jié)構(gòu)中平面外自旋凈極化和有效磁場的產(chǎn)生罩旋。HDLy和HFLx分別為類阻尼磁場和類場磁場啊央。Heffz為有效垂直磁場眶诈，m為磁化單位矢量。楔形Pt層允許Heffz的產(chǎn)生瓜饥。c霍爾桿示意圖及測量配置册养。I為電流，V為電壓參數(shù)压固，Hext為外部磁場球拦。d不同標(biāo)稱Pt厚度下補償SAF樣品的面外場(Hz)依賴的Kerr信號(θk)。試樣的反鐵磁耦合強度與楔形層的厚度關(guān)系不大帐我。e SAF樣品沿z方向掃場時的RH曲線坎炼。插圖表示兩個反平行態(tài)的自旋構(gòu)型。

電流誘導(dǎo)自旋軌道轉(zhuǎn)矩開關(guān)

現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)向在SAF結(jié)構(gòu)中利用SOT進行電流感應(yīng)磁化開關(guān)拦键。在這些測量中谣光，沿著y方向掃描電流脈沖時記錄霍爾電阻，并沿電流方向施加外部磁場芬为。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(xiàn)了電流誘導(dǎo)的確定性磁化開關(guān)萄金。開關(guān)為順時針為正Hext (+100 Oe)，逆時針為負Hext和零場(-100 Oe和0 Oe)媚朦。特別是氧敢，對于無場的情況，50ma的大正電流導(dǎo)致磁化的“↓↑”對中询张，在施加相應(yīng)的負電流時孙乖，“↑↓”的低阻狀態(tài)是首選。值得注意的是份氧，當(dāng)電流平行于楔形薄膜的梯度方向時唯袄，并沒有觀察到開關(guān)(補充圖1)，類似于鐵磁體中的非對稱結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)無場SOT開關(guān)蜗帜。為了進一步計算出電流誘導(dǎo)的有效磁場恋拷，在垂直于楔形薄膜梯度方向施加電流時測量了AHE。如圖4b所示厅缺，在+18 mA和-18 mA電流極性相反的情況下蔬顾，磁滯回線分別向正負兩個方向移動，說明在SAF結(jié)構(gòu)中電流誘導(dǎo)的Heffz方向相反店归。此外阎抒，在圖4c中觀察到電流誘導(dǎo)的平面外有效磁場與施加的電流呈線性關(guān)系。Heffz是通過提取AHE曲線的零場偏移量得到的消痛。此外且叁，通過在器件上連續(xù)施加正、負電流脈沖秩伞，研究了這種無場SOT開關(guān)的可重復(fù)性逞带。圖4d為零場連續(xù)SOT開關(guān)欺矫，電流脈沖持續(xù)時間為1 ms，周期為3 s展氓。顯然穆趴，在一系列電流脈沖的作用下，高阻和低阻狀態(tài)(對應(yīng)于TM和BM的兩個反平行矩排列)可以循環(huán)切換遇汞。為了進一步證實上述傳輸信號是由SOT誘導(dǎo)的磁化開關(guān)產(chǎn)生的未妹，而不是由非磁源產(chǎn)生的某些電信號。我們使用MOKE顯微鏡檢查一個未補償SAF樣品(補充注釋2)在SOT開關(guān)前后的磁化狀態(tài)空入。施加正络它、負電流脈沖后霍爾通道的循環(huán)對比變化進一步證實了SAF結(jié)構(gòu)中的全SOT開關(guān)。因此歪赢，我們得出結(jié)論化戳，生長在楔形SOC層上的SAF結(jié)構(gòu)具有均勻的各向異性，并在沒有外部電場的情況下表現(xiàn)出相當(dāng)穩(wěn)定的電流誘導(dǎo)磁化開關(guān)性能埋凯，使SAF更接近潛在的應(yīng)用点楼。

圖4:無場自旋軌道轉(zhuǎn)矩開關(guān)

a不同外輔助磁場下的SOT開關(guān)。b在相反的電流極性測量的反嘲锥裕霍爾效應(yīng)掠廓。RH為歸一化異常霍耳電阻躏结，HZ為施加的平面外磁場却盘。該器件的Pt厚度為4.43 nm狰域。c應(yīng)用電流依賴電流誘導(dǎo)垂直有效磁場媳拴，呈線性關(guān)系。d零場可重復(fù)SOT開關(guān)在連續(xù)的電流脈沖與相反極性兆览。電流脈沖的持續(xù)時間為1ms屈溉，周期為3s。

界面表征和第一性原理計算

為了進一步理解DMI工程的機理抬探，進行了微觀結(jié)構(gòu)表征和第一性原理計算子巾。采用電子束蒸發(fā)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所示小压。電子束蒸發(fā)法制備的Pt和[Co/Pd]多層膜具有一致的晶格條紋线梗，結(jié)晶度優(yōu)于磁控濺射法制備的多層膜。

因此怠益，這兩種方法在Pt和Co界面上的原子排列差異很大仪搔，導(dǎo)致DMI的變化，其強度受界面條件的顯著影響45,46蜻牢。為了進一步研究界面粗糙度對Co/Pt結(jié)構(gòu)DMI的影響烤咧，我們通過混合界面原子構(gòu)建了一系列界面結(jié)晶度不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)偏陪，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(gòu)型的能量差煮嫌，提取DMI強度d笛谦，得到相應(yīng)的公式:

隨著界面Co-Pt混合的增加，d不斷減小(圖5c中紅線)昌阿，這與結(jié)晶度越高饥脑，DMI越大的實驗觀察結(jié)果一致。為了了解界面DMI的變化機理懦冰，我們計算了不同手性自旋織構(gòu)之間的層分辨SOC能量差△Esoc好啰。如圖5d所示，界面結(jié)晶度完美時儿奶，DMI的主要貢獻來自相鄰的Pt層框往，這與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(zhuǎn)移闯捎，這些電子的自旋方向被Pt的大自旋軌道耦合所分散椰弊。當(dāng)界面Pt與Co原子混合時，Co - Co - Pt三重態(tài)被打破瓤鼻，導(dǎo)致Pt層對CW手性DMI的貢獻減小秉版，不同層的△Esoc開始相互抵消。我們還計算了界面Pt層中各原子的△Esoc茬祷，如圖5e-h所示清焕。隨著界面結(jié)晶度的降低，各Pt原子對CW手性DMI的貢獻減少祭犯，Pt原子和混合Co原子對DMI的貢獻開始相互抵消秸妥，導(dǎo)致圖1d中界面Pt層DMI的減少。

圖5:基于第一性原理計算的DMI橫截面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(fā)(b)生長SAF和鐵磁結(jié)構(gòu)的高分辨率TEM圖像沃粗。TEM圖像中的標(biāo)尺對應(yīng)5 nm粥惧。總DMI系數(shù)d (c)最盅，隨著界面粗糙度的增加突雪，Pt/Co異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層分辨SOC能差△手性相反的Esoc (d)。當(dāng)摻雜Co原子時涡贱，界面Pt層中各原子的原子分辨△E_soc咏删。

討論

綜上所述，我們系統(tǒng)地證明了垂直合成反鐵磁結(jié)構(gòu)中的確定性無場磁化開關(guān)问词，其中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的定制強度在配置疇壁中起主要作用督函，提高了自旋軌道轉(zhuǎn)矩效率。當(dāng)疇壁能量有效場與DMI有效場相當(dāng)時，疇壁呈現(xiàn)出介于Bloch型和Néel型之間的結(jié)構(gòu)侨核，易于被外界場控制草穆。通過在楔形SOC層上沉積[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]/Ru結(jié)構(gòu)，得到了各向異性均勻的完全補償?shù)腟AF搓译，最終實現(xiàn)了無外場的SOT誘導(dǎo)磁化開關(guān)悲柱，這對實際應(yīng)用具有重要意義。我們還發(fā)現(xiàn)些己，DMI的強度與Pt/Co界面的結(jié)晶度密切相關(guān)豌鸡，混合界面有利于較弱的DMI，這有利于無場SOT切換段标。我們的工作為垂直SAF在SOT器件中的應(yīng)用提供了一條切實可行的途徑涯冠，為高密度、低雜散場逼庞、低功耗的磁記憶器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)蛇更。

方法

樣品制備

采用直流磁控濺射法在5 mm × 5 mm MgO襯底上制備楔形Ta/Pt/[Co/Pd]2/Co/Ru/[Co/Pd]3/Co/Ru SAF薄膜，在基底真空優(yōu)于8.0 × 10?5 mTorr的條件下赛糟，工作氬氣壓力為3 mTorr派任。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(fā)法制備了Ta/Pt/[Co/Pd]2/Co/Pd鐵磁堆璧南，基壓為5 × 10?6 mTorr掌逛。設(shè)備是通過標(biāo)準(zhǔn)光刻和隨后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司倚，通過四點測量豆混，在室溫下對異常霍爾效應(yīng)和電流誘導(dǎo)磁化開關(guān)進行了研究动知。磁疇圖像和磁滯回線是使用VERTISIS MagVision Kerr成像系統(tǒng)捕獲的皿伺，該系統(tǒng)利用磁光Kerr效應(yīng)在極性配置中工作。在極性配置中拍柒，平面外磁化被探測心傀，并在圖像中觀察到不同亮度水平。

第一原理計算

我們的第一性原理計算是使用Vienna Ab-initio模擬軟件(VASP)47,48,49拆讯，在密度泛函理論(DFT)的框架內(nèi)進行的。用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)泛函的廣義梯度近似(GGA)處理交換和相關(guān)泛函50,51养叛。平面波展開的能量截止點設(shè)置為350eV种呐，我們計算6 × 1超晶胞的DMI時采用Г-centered k點網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為3 × 18 × 1弃甥，如圖3補充圖爽室。采用大于15?的真空空間，以避免兩個相鄰板之間的相互作用淆攻。進行幾何優(yōu)化阔墩，直到赫爾曼-費曼力小于0.01 eV嘿架，總能量收斂精度設(shè)置為10?7 eV。利用約束自旋-螺旋超晶胞方法計算了DMI的強度澎办。

數(shù)據(jù)有效性

支持本研究結(jié)果的數(shù)據(jù)可在相應(yīng)作者的合理要求下獲得蔑歌。

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關(guān)于生產(chǎn)商：

Vertisis Technology Pte Ltd是南洋理工大學(xué)(NTU)通過NTU的創(chuàng)新和企業(yè)公司和新加坡APP系統(tǒng)服務(wù)公司的合資企業(yè)筒扒，旨在從2017年起將尖端技術(shù)商業(yè)化。Vertisis已經(jīng)成功地生產(chǎn)了表征磁性器件及其對最終產(chǎn)品收率的關(guān)鍵影響的顯微系統(tǒng)蝉娜。其核心技術(shù)來源于南洋理工大學(xué)物理實驗室發(fā)現(xiàn)的一項新技術(shù)——物鏡上的法拉第效應(yīng)還原技術(shù)，以更好地建立磁域過程中的克爾成像扎唾。這種新開發(fā)的磁顯微鏡技術(shù)具有獨特的系統(tǒng)召川、組件和專有軟件，在自旋電子學(xué)和半導(dǎo)體相關(guān)行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用胸遇。自推出以來荧呐，許多系統(tǒng)已成功安裝在世界知名的大學(xué)和研究機構(gòu)，在新加坡和整個亞太地區(qū)取得了優(yōu)異的成績纸镊。通過不斷創(chuàng)新坛增，滿足全球目標(biāo)市場的功能需求，公司始終處于技術(shù)的前沿薄腻。我們將充滿激情收捣，前瞻性，理解并提供解決方案庵楷，以滿足您的技術(shù)創(chuàng)新需求罢艾。

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