[论文解读] Magnetization switching by spin-orbit torque in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer system

Shunsuke Fukami, Chaoliang Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2015

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 39被引用 952

一句话总结

本研究通过PtMn的交换偏置效应，在反铁磁/铁磁（AFM/FM）异质结中实现了自旋轨道力矩（SOT）诱导的无外磁场磁化翻转。该系统在无外磁场条件下表现出SOT驱动的磁化翻转，并展现出类忆阻器行为，可通过电流幅值实现磁化翻转的模拟控制，适用于超快、低功耗自旋电子学与类脑计算器件。

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT)-induced magnetization switching shows promise for realizing ultrafast and reliable spintronics devices. Bipolar switching of perpendicular magnetization via SOT is achieved under an in-plane magnetic field collinear with an applied current. Typical structures studied so far comprise a nonmagnet/ferromagnet (NM/FM) bilayer, where the spin Hall effect in the NM is responsible for the switching. Here we show that an antiferromagnet/ferromagnet (AFM/FM) bilayer system also exhibits a SOT large enough to switch the magnetization of FM. In this material system, thanks to the exchange-bias effect of the AFM, we observe the switching under no applied field by using an antiferromagnetic PtMn and ferromagnetic Co/Ni multilayer with a perpendicular easy axis. Furthermore, tailoring the stack achieves a memristor-like behaviour where a portion of the reversed magnetization can by controlled in an analogue manner. The AFM/FM system is thus a promising building block for SOT devices as well as providing an attractive pathway towards neuromorphic computing.

研究动机与目标

• 展示自旋轨道力矩（SOT）在反铁磁/铁磁（AFM/FM）异质结系统中诱导磁化翻转。
• 利用PtMn的交换偏置实现垂直磁化无外磁场翻转。
• 探索AFM/FM系统在类脑计算中实现模拟、忆阻器样操作的潜力。
• 研究交换偏置强度在调控畴壁动力学与磁化翻转机制中的作用。

提出的方法

• 通过溅射在硅片上制备Ta/Pt/PtMn/CoNi/MgO/Ta多层膜结构。
• 在300 °C下进行平面内退火，并施加1.2 T磁场，以在PtMn中建立交换偏置。
• 测量霍尔电阻（RH）与垂直磁场（HZ）的关系，以探测磁化状态。
• 施加平面内电流（ICH）以产生自旋轨道力矩，并观察矫顽力（HC）与RH-HZ回线的变化。
• 改变PtMn厚度（tPtMn = 2.0–8.5 nm）以调节交换偏置强度，并研究其对翻转行为的影响。
• 在衰减的HZ下进行去磁化循环，以确认交换偏置样品中的多域态。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋轨道力矩能否在无外磁场条件下诱导AFM/FM异质结中的磁化翻转？
• RQ2 PtMn提供的交换偏置如何影响SOT诱导翻转的对称性与阈值？
• RQ3 AFM/FM系统能否表现出连续、模拟控制磁化翻转的忆阻器样行为？
• RQ4 在交换偏置的AFM/FM异质结中，主导的翻转机制是畴壁传播还是成核？
• RQ5 PtMn中的自旋霍尔角是否产生可测量符号与大小的Slonczewski型SOT？

主要发现

• 在PtMn/CoNi铁磁异质结中，通过交换偏置实现了无外磁场的垂直磁化SOT诱导翻转。
• 当tPtMn ≥ 7.0 nm时，翻转对称性由非偏置状态的四重对称变为偏置状态的两重对称，表明PtMn中存在正的自旋霍尔角，且翻转具有电流方向依赖性。
• 矫顽力（HC）随电流幅值增加而减小，32 mA电流使交换偏置器件的HC降低高达12 mT。
• tPtMn = 8.0–8.5 nm的器件在脉冲电流下表现出中间霍尔电阻状态，表明存在稳定的多域构型，具有忆阻器样行为。
• 去磁化实验确认，中间状态源于交换偏置诱导的畴钉扎，而非热效应或Oersted场效应。
• 磁场角度依赖性分析显示，tPtMn = 8.0 nm样品偏离Kondorsky模型，表明因畴壁运动受抑制，翻转机制以成核为主。