Title

垂直式多層膜MgO/CoFeB/TaRu/CoFeB/MgO自旋霍爾磁阻之探討

Translated Titles

Spin Hall Magnetoresistance in Perpendicular Magnetized MgO/CoFeB/TaRu/CoFeB/MgO Multilayers

Authors

林燁凱

Key Words

鈷鐵硼 ; 人工反鐵磁 ; 自旋霍爾磁阻 ; synthetic antiferromagnet ; Spin Hall Magnetoresistance ; CoFeB

PublicationName

中正大學物理學系學位論文

Volume or Term/Year and Month of Publication

2016年

Academic Degree Category

碩士

Advisor

陳恭

Content Language

繁體中文

Chinese Abstract

本實驗我們將利用電流注入垂直式人工反鐵磁層中之金屬夾層材料探討其電流效應對於上下鐵磁層與其耦合之影響。 過去的研究顯示在重金屬上施加縱向電流,因自旋霍爾效應使重金屬的電子,以相反的自旋分離,在橫向造成產生自旋流,此自旋流與鄰近的鐵磁層磁化不共線時,因自旋-軌道耦合作用產生力矩誘發磁化翻轉,而力矩能夠以等效場(HSHE)來表示。 在過去幾年的研究中,已對垂直式人工反鐵磁結構在中間金屬夾層為Ta之電流效應得到了許多重大的發現與研究,如下所示: 1. 注入縱向電流誘發磁矩翻轉其電阻值被限制在反平行態之間的阻值,推測有兩種可能性,其一是反鐵磁耦合效應,導致電流誘發其中一層翻轉時另一層將跟著翻轉以維持在穩定態。其二,在人工反鐵磁結構使用單一金屬做為非磁性金屬層,因為膜面方向相反,會使兩層鐵磁層等效場相反。 2. 電流誘發磁矩翻轉必須施加一縱向的外加磁場以破壞其磁矩對稱性,因此當外加磁場為零時,單純的電流效應不足以使磁矩翻轉。但是使用人工反鐵磁結構,不需要外加磁場就可以透過單純的電流效應使磁矩翻轉,達成零磁場下的翻轉。 建立在上述的研究基礎下,本文利用兩種自旋霍爾角特性相反的金屬(Ta/Ru、Ru/Ta)當作人工反鐵磁結構中間的金屬夾層。研究動機如下: 1. 有別於單一金屬夾層的特性,由於兩金屬其本身自旋霍爾角相反,對相鄰的鐵磁層作用反倒形成同向的等效場。利用同效等效場的特性探討電流效應下與單一金屬夾層的研究結果有何異同。 2. 發現Ta/Ru、Ru/Ta組合方式在特定的比例下,能夠有效地降低樣品的耦合能及異向能,此結果可以得到鐵磁耦合的樣品,鐵磁耦合樣品有別於反鐵磁耦合樣品,磁矩在平行態之間翻轉,對於研究電流效應使磁矩翻轉與耦合能的影響有重大幫助。藉由比例的改變達成調控耦合能以及異向能的研究結果有助於未來此樣品在應用面上更為實用。 基於上述實驗動機,本文使用垂直式人工反鐵磁結構MgO(1)/CoFeB(1.2)/ Ta(x)Ru(1-x)(1)/CoFeB(1.2)/MgO(1) (unit:nm)。主要討論分成下列幾個部分: 1. 對於兩種金屬組合的人工反鐵磁結構有基本的磁特性瞭解,並且發現在金屬比例相同時,異向能與耦合能同時降低,導致樣品形成磁疇結構。 2. 為了瞭解樣品的磁化現象,可以透過磁矩與磁電阻對於外加場下的變化來得知。在高磁場下,分別在縱向與橫向方向觀察到異向性磁阻(AMR)與自旋霍爾磁阻(SMR)。高磁場下磁阻的形態與異向能場(Hk)相關。除了AMR與SMR之外,在低磁場區域還觀察到磁疇結構所誘發出的磁阻效應,磁疇電阻形成的磁場範圍區間與成核場(Hn)相關。 3. 以磁矩分量計算磁阻曲線得到符合實驗的結果,為了得到合理的封閉磁疇比例,低場必定存在磁阻Rg,此磁阻有可能是巨磁阻。 4. 探討電流誘發磁翻轉的效應:電流誘發等效場使磁翻轉的正負電流產生不對稱的情況出現,但是在電流翻轉量測只看到磁矩被微微翻動。鐵磁耦合的樣品沒有反平行態之間翻轉的限制,但是要翻到平行態,單純靠等效場的作用不夠強,需要外加垂直場才能幫助磁矩翻轉到平行態。 關鍵字:自旋霍爾磁阻、人工反鐵磁、鈷鐵硼

English Abstract

Applying a longitudinal current in heavy metal, such as Ta or Ru, a spin current is generated along the transverse direction due to the spin Hall effect (SHE). This spin current may further exert a torque on the adjacent ferromagnetic layer and causes a magnetic switching of the ferromagnetic layer. In this thesis, we fabricated thin film samples of synthetic antiferromagnetic structure: MgO(1)/CoFeB(1.2)/ Ta(x)Ru(1-x)(1)/CoFeB/MgO(1) (1<x<0, unit: nm) and measure the electrical and magnetic properties of these samples. The experimental work is divided into two parts: (1) Investigating the perpendicular magnetic anisotropy of these structures and the exchange coupling between CoFeB layers. (2) Investigating of the current impact of the adjacent ferromagnetic layers by spin Hall effect. The main results are listed as follows: 1. Strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is observed either x ~ 1 or x ~ 0, which is either on the Ta rich side or Ru rich side. However, when x ~ 0.5, the PMA clearly reduces resulting in a stripe domain structure. 2. The PMA observed in Ta rich side is related to the strong interface anisotropy originated from Fe-O hybridization. However, the PMA at Ru rich side is related to the strong antiferromagnetic interaction originated from the exchange coupling through the Ru spacer. 3. The domain structure is sensitive to the history of the external field and shows strong angular dependence. The analysis of the angular dependence gives rise to a quantitative understanding of the evolution of the domain structure. 4. Both Hall resistance (Rxy) and magnetoresistance (Rxx) are measured for the sample of x = 0.5 (Ta0.5/Ru0.5) and found various magnetoresistance (MR) including anisotropic magnetoresistance (AMR), spin Hall magnetoresistance (SMR) and giant magnetoresistance (GMR). 5. By analyzing both Rxy and Rxx, we are able to map out the average magnetic configuration during the magnetic reversal. These results give rise to a detailed description of the variation of the stripe domain structure which may be useful for the future application on the domain wall motion type magnetic devices. Key word: Spin Hall Magnetoresistance, synthetic antiferromagnet, CoFeB

Topic Category 基礎與應用科學 > 物理
理學院 > 物理學系
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