[论文解读] Tuning perpendicular magnetic anisotropy in the MgO/CoFeB/Ta thin films

Tao Zhu, P. Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 34被引用 4

一句话总结

本研究证明，通过改变MgO层厚度，可以调节MgO/CoFeB/Ta薄膜中的垂直磁各向异性（PMA）。随着MgO厚度增加，PMA强度显著下降，这是由于形成了结晶态体相MgO，从而改变了MgO/CoFeB界面处的界面磁各向异性，为通过界面调控实现磁性性能工程化提供了途径。

ABSTRACT

Understanding the magnetic anisotropy at ferromagnetic metal/oxide interface is a fundamental and intriguing subject. Here we propose an approach to manipulate the strength of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) by varying MgO thickness in the MgO/CoFeB/Ta thin films. We identify that the PMA at the MgO/CoFeB interface is tuned by the crystalline structure of bulk MgO layer and decreases dramatically due to the onset of crystalline MgO forming with the increase of MgO thickness. Our work opens an avenue to manipulate the magnetic anisotropy by the modification of the ferromagnetic metal/oxide interface.

研究动机与目标

• 研究MgO厚度对MgO/CoFeB/Ta异质结构中垂直磁各向异性（PMA）的影响。
• 理解MgO晶体结构如何影响界面磁各向异性。
• 建立通过界面工程系统调控PMA的可控方法。
• 探讨MgO层形貌与磁各向异性强度之间的关系。

提出的方法

• 制备MgO/CoFeB/Ta三明治结构薄膜，并系统调节MgO厚度。
• 采用原位沉积和受控生长条件，确保结构一致性。
• 利用磁学测量和X射线磁圆二向色性（XMCD）探测磁各向异性。
• 通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构，关联相演化与PMA变化。
• 定量评估PMA能量密度随MgO厚度的变化。
• 利用光谱技术研究界面电子结构及各向异性贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 MgO厚度增加如何影响MgO/CoFeB/Ta薄膜中垂直磁各向异性的强度？
• RQ2 体相MgO的晶体结构在改变界面磁各向异性中起什么作用？
• RQ3 能否通过在受控异质结构中调控MgO层厚度来系统性调节PMA？
• RQ4 观察到的PMA随MgO厚度增加而下降的根源是什么？

主要发现

• 在MgO/CoFeB/Ta薄膜中，垂直磁各向异性（PMA）随MgO厚度增加而显著降低。
• PMA的降低归因于MgO厚度增加后结晶态MgO的形成。
• MgO/CoFeB界面处的界面PMA强烈受MgO层结构转变的影响。
• 非晶态MgO层表现出更高的PMA，而结晶态MgO则导致PMA显著抑制。
• 本研究证实，可通过调控铁磁金属/氧化物界面来调节磁各向异性。
• 结果为通过调控MgO层的结晶度和厚度来控制PMA提供了清晰路径。