[论文解读] Phase domain boundary motion and memristance in gradient-doped FeRh nanopillars induced by spin injection

Rowan C. Temple, Mark C. Rosamond+7 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 35被引用 12

一句话总结

本研究通过自旋注氧在梯度掺杂的FeRh纳米柱中实现了反铁磁相到铁磁相界面的电流驱动运动，导致可逆的电阻变化，表现出忆阻特性。该效应归因于自旋极化电子从铁磁相注入反铁磁相，从而稳定铁磁相并使相界面向电子流方向移动，实现了对磁相态的电控，适用于神经形态计算。

ABSTRACT

The B2-ordered alloy FeRh shows a metamagnetic phase transition, transforming from antiferromagnetic (AF) to ferromagnetic (FM) order at a temperature $T_\mathrm{t} \sim 380 $~K in bulk. As well as temperature, the phase transition can be triggered by many means such as strain, chemical doping, or magnetic or electric fields. Its first-order nature means that phase coexistence is possible. Here we show that a phase boundary in a 300~nm diameter nanopillar, controlled by a doping gradient during film growth, is moved by an electrical current in the direction of electron flow. We attribute this to spin injection from one magnetically ordered phase region into the other driving the phase transition in a region just next to the phase boundary. The associated change in resistance of the nanopillar shows memristive properties, suggesting potential applications as memory cells or artificial synapses in neuromorphic computing schemes.

研究动机与目标

• 展示在FeRh纳米柱中通过电流传导诱导反铁磁相到铁磁相界面运动。
• 研究自旋注氧在驱动元磁相变中的作用，而非依赖焦耳热或热效应。
• 在梯度掺杂的FeRh系统中，建立自旋注氧与相界动力学之间的直接关联。
• 通过电流控制的电阻开关，在磁性元材料中展示忆阻行为。
• 探索FeRh纳米柱作为可重构存储器或人工突触元件在神经形态计算中的潜力。

提出的方法

• 制备了直径为300 nm的FeRh纳米柱，其Pd（降低Tt）和Ir（提高Tt）的垂直掺杂梯度，以实现相变温度的空间调控。
• 采用分子束外延技术，在MgO衬底上生长外延FeRh薄膜，并使用NiAl缓冲层，随后在700 °C下进行真空退火以实现B2有序结构。
• 采用电子束光刻和Ar离子束刻蚀技术，图案化底电极和纳米柱，并通过剥离工艺沉积飞桥式Au接触电极。
• 在77 K至500 K的温度范围内，采用准四探针几何结构进行输运测量，使用脉冲电流注入（最高20 mA，约3×10¹¹ A/m²）并使用纳伏表检测信号。
• 利用高角度环形暗场透射电子显微镜（HAADF-TEM）和能量色散X射线能谱（EDS）确认掺杂梯度和微观结构。
• 在320 K（完全反铁磁相）下进行对照实验，施加电流脉冲以隔离焦耳热效应，并确认电阻变化源于相界运动而非热效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 从铁磁区域向反铁磁区域注入自旋是否能诱导FeRh中AF/FM相界运动？
• RQ2 电流方向是否控制相界运动方向，与自旋转移力矩机制一致？
• RQ3 通过电流驱动相界运动是否能可逆地调制纳米柱的电阻，表现出忆阻特性？
• RQ4 焦耳热效应在电阻变化中占多大程度，能否与自旋注氧效应区分开来？
• RQ5 梯度掺杂的FeRh纳米柱系统能否作为电控磁性存储器或人工突触的原型？

主要发现

• 从反铁磁相向铁磁相注入电流（电子流从AF流向FM）导致电阻明显下降，表明相界向铁磁相移动。
• 当电流反向（电子流从FM流向AF）时，电阻上升，表明相界向相反方向移动，证实了相界运动的可逆性及与电流方向的依赖性。
• 电阻变化归因于自旋注氧而非焦耳热，因为对照实验在320 K下显示，电阻响应在电流反向时对称，而焦耳热不会产生此类对称性。
• 电阻变化与相界运动定量相关：在320 K下施加电流脉冲时，电阻上升3 mΩ，对应约1.4 K的焦耳热引起的温升，该值被用作基线以分离出自旋注氧效应。
• 该系统表现出忆阻行为，电阻依赖于电流历史，表明其在非易失性存储器或神经形态计算中具有应用潜力。
• 掺杂梯度使中间温度下相界稳定且可调，实现了在宽温度范围（370–475 K）内对相变的电控探测与调控。