中文摘要：
自旋电子学器件通过电子的自旋性质来操作信息,由于不存在电荷的积累,从而其天生就具有非易失性、低功耗的特点,因此也被寄希望于目前半导体器件的替代者。许多相应的自旋电子学器件也不断地涌现而出,例如基于自旋轨道矩的磁随机存储器以及基于反常霍尔效应的磁传感器等,这些器件的核心结构就是简单的纳米磁性多层膜。这些器件的出现不仅丰富了自旋电子学的应用领域,而且给人们的生产生活也带来了巨大的变化。但是为了满足人们不断增加的需求,器件的尺寸需要不断地减小,量子尺寸效应也油然而生,限制了器件的进一步发展。许多的研究工作试图通过寻找更好的材料来解决这一难题,却忽视了多层膜中与尺寸、维度相关的界面效应的影响。当多层膜的厚度降低至几纳米时,许多的界面效应(例如界面电荷转移、界面电子轨道杂化和界面原子扩散等)都会直接影响纳米磁性多层膜的相关性能。因此,本论文在超薄的纳米磁性多层膜中,通过界面插层、优化退火温度、改变退火环境等手段调控了多层膜的界面结构,研究了界面结构的改变对纳米磁性多层膜自旋相关输运性能的影响。本论文的主要研究内容即结果如下:(1)研究了在Ta/CoFeB/MgO多层膜中超薄的金属插层对体系自旋轨道矩效率的影响。通过在Ta/CoFeB界面引入超薄的0.2 nm厚度的金属Ti插层,可以使得体系的自旋轨道矩效率提高75%。研究发现Ti插层的引入会在Ta/CoFeB界面处与CoFeB中的B原子相结合,从而生成超薄的界面阻挡层TiB2。TiB2的形成可以有效地抑制Ta向MgO中扩散,从而获得更加平整的Ta/CoFeB界面。这一界面调控方式有效地降低了自旋记忆损耗和自旋回流效应,从而提高了界面透明度,使得体系的自旋轨道矩效率得到了显著增强。(2)研究了在超高真空下不同退火温度对Pt/Co/HfO2多层膜中自旋轨道矩的影响。研究发现随着退火温度的增加,自旋轨道矩的类场矩项仅仅在数值上单调减小,方向未发生变化;而自旋轨道矩的类阻尼矩项不仅数值发生了变化,其方向也发生了反转。通过分析发现随着退火温度的升高,Co中的O2-不断地向HfO2中迁移,从而改变了界面电荷的分布状态,引发了界面处Co、O和Hf之间不对称的轨道杂化,显著地增强了界面所产生的自旋轨道矩。因而通过调控自旋霍尔效应以及界面所产生的自旋轨道矩之间的相互竞争关系,实现了对类阻尼矩和类场矩之间相互关系的有效调控。(3)研究了在垂直磁化的Ta/CoFeB/MgO多层膜体系中双离子调控对体系自旋轨道矩的影响。通过在CoFeB/MgO界面处H+的注入,使得样品电流诱导磁化翻转所需的临界翻转电流密度仅为没有H+调控样品的一半。研究发现通过界面处H+的注入,可以促进界面O2-的迁移,因而实现了有效的双离子调控的方式。这一方式优化了 CoFeB/MgO界面处的化学状态,有效地增强了自旋流的吸收作用以及降低了界面处自旋散射,从而产生更强的力矩作用于CoFeB的磁矩。相比于仅有O2-调控的样品,其类阻尼矩有效场和类场矩有效场分别增加了 24%和35%。这一结果表明多层膜界面处的双离子调控能够有效地操控体系的自旋轨道矩。(4)研究了 MgO/CoFeB/Ta/MgO多层膜中插入不同的金属对体系反常霍尔灵敏度的影响。研究发现在CoFeB/Ta界面处通过引入超薄的强还原性金属Hf,可以使得体系的反常霍尔灵敏度达到16182 Ω/T,较无插层的样品提高了 560%;并进一步通过退火可以将体系的反常霍尔灵敏度提升至28282 Q/T,较退火后的无插层样品提高了 883%。然而,插入Gd金属的样品,制备态下体系的反常霍尔灵敏度仅为6837 Ω/T。研究表明强还原性金属Hf的引入,使得CoFeB/Ta界面处发生了双向氧迁移的过程,这一过程有效地重构了界面氧原子排布,从而很好地调控了自旋输运性能和磁性能。然而,弱还原性金属Gd仅能使得CoFeB/Ta界面发生单向氧迁移的过程。
