[论文解读] External Field Free Spin Hall Effect Device for Perpendicular Magnetization Reversal Using a Composite Structure with Biasing Layer
本文提出一种基于复合结构Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO的自旋霍尔效应器件，通过Ta层的自旋轨道扭矩实现对垂直磁化CoFeB（1.2 nm）的无外场反转。平面内各向异性层提供漏磁场辅助，实现无需外加磁场的可靠开关，标志着向节能自旋电子存储与逻辑器件迈出了关键一步。
In this paper, a new material structure is proposed that utilizes the spin Hall effect to switch perpendicularly magnetized materials in the absence of any externally applied field. The structure consists of a multilayered material stack including a magnetic layer with perpendicular magnetic anisotropy that serves as the storage layer and a magnetic layer with in-plane magnetic anisotropy that assists switching of the magnetization of the storage layer through stray fields. We develop a composite structure of substrate / Ta (5 nm) / CoFeB (1.2 nm) / MgO (2 nm) / CoFeB (3 nm) / MgO (2 nm) and demonstrate the spin Hall effect arising from the Ta spin orbit channel can switch the magnetization of CoFeB (1.2 nm) with perpendicular magnetic anisotropy. This new composite structure could enable more widespread use of the spin Hall effect for memory and logic applications.
研究动机与目标
- 开发一种基于自旋霍尔效应的器件，实现对垂直磁化磁性层的无外场开关。
- 克服传统自旋霍尔存储器件依赖外部磁场的局限性。
- 利用平面内各向异性CoFeB层产生的漏磁场，辅助垂直存储层的开关。
- 展示复合结构Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO多层膜在实际自旋电子应用中的可行性。
提出的方法
- 设计复合多层结构：基底 / Ta（5 nm） / CoFeB（1.2 nm） / MgO（2 nm） / CoFeB（3 nm） / MgO（2 nm）。
- 利用Ta层作为自旋霍尔材料，在电荷电流注入下通过自旋-轨道耦合产生自旋流。
- 利用平面内各向异性CoFeB（3 nm）层产生的漏磁场，辅助垂直各向异性CoFeB（1.2 nm）存储层的开关。
- 利用自旋霍尔效应在垂直磁性层上施加自旋轨道扭矩，实现确定性的磁化反转。
- 在零外部磁场条件下表征开关行为，以确认无外场工作状态。
实验结果
研究问题
- RQ1Ta层中的自旋霍尔效应是否能在无外部磁场条件下可靠诱导垂直磁化CoFeB层的磁化反转？
- RQ2在无外部磁场条件下，平面内各向异性CoFeB层的引入如何提升开关效率？
- RQ3复合结构Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO在实现无外场开关中起到何种作用？
- RQ4仅靠Ta层产生的自旋轨道扭矩是否足以实现对垂直存储层的确定性开关？
主要发现
- 该复合结构成功实现了通过Ta层自旋霍尔效应对垂直磁化CoFeB（1.2 nm）层的无外场反转。
- 平面内各向异性CoFeB（3 nm）层提供了有效的漏磁场辅助，降低了开关所需的电流密度。
- 该器件在无任何外加磁场条件下运行，证明了真正的无外场开关。
- Ta层中的自旋霍尔效应产生了足够的自旋轨道扭矩，以实现对垂直存储层磁化的反转。
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