電學方法調控磁化翻轉和磁疇壁運動的研究進展?

張楠 張保 楊美音 蔡凱明 盛宇2) 李予才鄧永城 王開友

1)(中國科學院半導體研究所,半導體超晶格國家重點實驗室,北京 100083)

2)(北京科技大學物理系,北京 100048)

綜 述

電學方法調控磁化翻轉和磁疇壁運動的研究進展?

張楠1)張保1)楊美音1)蔡凱明1)盛宇1)2)李予才1)鄧永城1)王開友1)?

1)(中國科學院半導體研究所,半導體超晶格國家重點實驗室,北京 100083)

2)(北京科技大學物理系,北京 100048)

(2016年10月11日收到;2016年11月28日收到修改稿)

電學方法調控磁性材料及器件的磁性是當前自旋電子學研究的熱點之一.本綜述簡要介紹利用電學方法調控磁化翻轉和磁疇壁運動的研究進展.首先簡述了自旋極化電流的產(chǎn)生、自旋流與局域磁矩之間的作用原理以及對應的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski磁動力學方程;然后分別討論了單層磁性材料、鐵磁層/重金屬、鐵磁層/非磁金屬/鐵磁層等不同結構中的電流誘導磁化翻轉或驅動疇壁運動;最后介紹了利用壓電效應、磁電耦合效應和柵極電場效應三種電壓方式對磁矩的調控.在此基礎上,對電學方法調控磁化翻轉和磁疇壁運動進行了總結和展望.

自旋電子學,自旋轉移矩,自旋軌道耦合,電壓調控

1 引 言

電子的自旋具有向上和向下兩個取向,以磁矩的特性表現(xiàn)出來,廣泛存在于各種材料中.磁性材料中電子自旋的取向可以作為信息存儲和處理的介質.目前已經(jīng)應用的磁性硬盤是用外加磁場來操控磁性材料的磁化翻轉,達到信息寫入的目的.由于磁盤的寫入過程使用機械方法來轉動磁盤,寫入速度受到了一定的限制,而且磁場的彌散特性限制了信息單元尺寸的進一步縮小.相比于磁場,電場具有更好的局域特性,利用電學方法操控磁學特性,可以更快地實現(xiàn)信息的寫入,極大地提升信息單元的密度.而利用電子自旋來進行信息處理,具有非揮發(fā)性、速度快、抗輻射及低功耗的優(yōu)點.當前集成電路主要都是基于電學方法來實現(xiàn)的,因此在室溫無外加磁場的條件下,通過電學方法實現(xiàn)對微納器件中自旋的調控是自旋電子學器件走向應用的關鍵問題之一,并且是以自旋為基礎的信息處理和存儲技術得以快速應用的基礎.

用電學方法調控材料和器件中的自旋,通常以材料中磁矩方向的調控來表征.電學方法調控磁矩主要利用電流和電壓兩種方法.電流方法主要是利用自旋流和局域磁矩發(fā)生相互作用,從而實現(xiàn)局域磁矩的調控.電流調控磁性材料的自旋主要涉及以下兩個方面的研究內容：1)自旋極化電流的產(chǎn)生和自旋信息讀取;2)自旋流對磁性材料的自旋調控.電壓方法主要利用磁電耦合效應、壓電效應和柵極電場效應來調控磁矩.

2 通過電流調控鐵磁材料中的自旋

電流調控鐵磁性材料中自旋的重要前提是產(chǎn)生自旋極化電流,通常自旋極化電流的產(chǎn)生根據(jù)其原理的不同可以分為三種：1)由于磁性材料費米面能帶結構中的自旋不對稱性,導致費米面附近自旋向上和向下的電子數(shù)目不同,因此通過磁性材料的導電電子就會形成自旋極化電流;2)電流通過薄膜材料時,利用薄膜材料界面反演不對稱性引起的Rashba自旋軌道耦合效應,或者由于材料本身的晶體結構反演不對稱性引起的Dresselhaus自旋軌道耦合效應,產(chǎn)生自旋流;3)電流通過具有強自旋軌道耦合的非磁金屬或者半導體時,自旋向上和向下的電子由于受到自旋霍爾效應(spin Hall effect,SHE)從而產(chǎn)生自旋流.

通過自旋轉移矩(spin transfer torque,STT)效應可以翻轉鐵磁磁矩及驅動磁疇壁運動.STT的基本原理是：自旋極化電子與局域磁矩發(fā)生相互作用,將其角動量轉移到局域磁矩.利用自旋轉移矩效應,不僅可以實現(xiàn)磁性隧道結和自旋閥中自由層磁矩進動或翻轉,也可以驅動磁疇壁運動.

磁矩在磁場和自旋電流共同作用下的動力學過程可以用Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程[1]來描述：

其中,m是磁化方向上的單位向量,γ=gμB/?是旋磁比,Heff是有效磁場強度,α是Gilbert阻尼系數(shù),τ是自旋轉移矩項,μB是玻爾磁子,g是朗道因子.方程右邊第一項為拉莫爾自旋進動項,表示磁矩圍繞有效磁場方向旋轉進動;第二項為自旋弛豫的阻尼項(damping torque),即能量損耗項;第三項為自旋電流導致的自旋轉移矩項.如圖1所示,不同大小方向的STT作用有三種結果：當自旋轉移矩項和阻尼項方向相同時,可以加快阻尼過程;當自旋轉移矩項和阻尼項方向相反且數(shù)值相等時,兩者相互抵消,磁矩會保持進動,進動頻率通常為GHz量級;當自旋轉移矩項和阻尼項方向相反且數(shù)值更大時,磁矩會發(fā)生翻轉.因此,利用自旋轉移矩可以調控磁性材料的自旋狀態(tài).通過求解LLGS方程可以理解自旋流對磁矩翻轉的影響因素以及不同條件下的臨界翻轉電流密度,它對自旋電子學材料和器件的設計具有重要作用.

圖1 不同大小和方向的STT作用的三種結果 (a)加快阻尼過程;(b)磁矩進動;(c)磁矩翻轉;圖中黑色箭頭表示阻尼項,灰色箭頭表示STT,白色箭頭表示Field-like項,陰影箭頭表示拉莫爾進動項Fig.1.The three results with different magnitude and direction of STT effect：(a)Speed up the process of damping;(b)the precession of magnetization;(c)the magnetization reversal.The black arrows indicate damping term,gray arrows indicate STT term,white arrows indicate the field-like term,and shaded arrows indicate Lamor precession.

在絕熱近似條件下,自旋極化電流的角動量完全轉移給局域磁矩,此時自旋轉移矩項滿足τ=-(u·?)m,其中u方向為電子運動方向,大小為u=JPgμB/(2eMs)[2];J為電流密度,P為電流自旋極化率,g為朗道因子,μB為玻爾磁子,Ms為飽和磁化強度.在電流驅動磁疇壁運動的實驗中,對于寬磁疇壁,自旋轉移矩通常滿足絕熱近似;但是對于窄磁疇壁,自旋極化電流的角動量并不能完全轉移給局域磁矩,會產(chǎn)生一個垂直于絕熱項的非絕熱項βm×[(u·?)m][3],其中β為無量綱的非絕熱項系數(shù)[4].考慮非絕熱項后,自旋轉移矩可以寫成τ=-(u·?)m+βm×[(u·?)m].

利用自旋流可以有效調控單層磁性材料、鐵磁層/重金屬結構、鐵磁層/非磁金屬/鐵磁層三明治等不同結構中磁化翻轉或驅動疇壁運動的現(xiàn)象,下面我們逐一對其進行討論.

2.1 單層磁性材料中電流調控磁化翻轉和驅動磁疇壁運動

2.1.1 電流驅動磁疇壁運動

磁性材料會自發(fā)形成磁疇,磁疇內部磁化方向一致,在沒有完全磁化之前,磁疇之間排列方向并不一致.在兩個相鄰不同取向的磁疇之間,磁化方向逐漸發(fā)生變化的過渡層稱為磁疇壁.當一個具有垂直于窄條長度方向的磁疇在外磁場作用下,沿著外加磁場方向的磁疇會長大,而沿不同于外場方向的磁疇會變小,不過磁場作用下磁疇的擴展是非定向的.不同于磁場驅動磁疇壁運動,利用自旋極化電流驅動磁疇壁運動,導電電子的自旋角動量通過STT作用轉移到局域的磁矩,當電流密度超過臨界值時,磁疇壁就會發(fā)生定向運動.圖2中自上向下的三幅圖表示在通入極化電流前后疇壁位置的改變,箭頭表示磁化方向.Berger等[5]在1978年就提出了電流通過STT誘導磁疇壁運動的設想,1985年,Freitas和Berger[6]首次在實驗中觀察到了30-40 nm厚的Ni87Fe13薄膜中電流驅動磁疇壁的運動.不過在金屬中,電流驅動磁疇壁運動需要的臨界電流密度通常都比較高,約為107A/cm2量級,這會導致很大的熱效應,這也是電流驅動磁疇壁運動走向實際應用的一大障礙.

由于臨界電流密度與磁性材料的磁化強度成正比,所以選擇磁化強度小的磁性材料可以有效降低臨界翻轉電流密度.例如垂直各向異性的(Ga,Mn)As具有小的飽和磁化強度,其臨界電流密度[7,8](約105A/cm2)比金屬磁性材料中的小2個量級左右,并且理論模擬結果與實驗結果相符[9];另外發(fā)現(xiàn)由缺陷引起的釘扎會影響臨界電流密度,隨著釘扎能的增加,臨界電流密度也明顯增大.降低鐵磁半導體的各向異性場可以顯著降低其臨界電流密度,實現(xiàn)大溫區(qū)(25-100 K)范圍內電流驅動磁疇壁運動[10].

圖2 (網(wǎng)刊彩色)電流驅動疇壁運動示意圖,通入極化電流前后疇壁發(fā)生運動Fig.2.(color online)The schematic diagrams of current induced the domain wall motion with the polarization current.

通常疇壁產(chǎn)生的位置是不可控的,這對實際應用是非常不利的,所以需要提高磁疇壁產(chǎn)生的位置及穩(wěn)定性的控制.實驗上可以通過設計固定位置的缺陷,由于缺陷處易形成反向核,從而可以精確控制疇壁產(chǎn)生的位置;但是,固定缺陷會對疇壁運動產(chǎn)生釘扎,導致電流驅動磁疇壁的臨界電流密度提高.一種更好的方法是用柵極電場來控制及產(chǎn)生磁疇壁：Bauer等[11]證實了通過GdOx觸點向鐵磁材料Co上施加電壓,產(chǎn)生勢阱可以有效捕捉Co中傳播的疇壁.此外,高速運動的疇壁對實際應用很重要,而疇壁結構的不穩(wěn)定性(如沃克擊穿)會限制其運動的最大速度.沃克擊穿現(xiàn)象是指當驅動電流大于臨界值時,布洛赫疇壁不再穩(wěn)定地存在,會導致電流驅動的效率大大降低.可以通過引入界面反演不對稱,利用Rashba效應來穩(wěn)定布洛赫壁,推遲由布洛赫壁向奈爾壁的轉化,增強結構穩(wěn)定性,從而實現(xiàn)更高速度的疇壁運動[12].

在沃克擊穿之前,穩(wěn)定的疇壁運動速度v取決于非絕熱項系數(shù)β和阻尼常數(shù)α的比值,v=(β/α)u,其中u=JPgμB/(2eMs);當發(fā)生沃克擊穿之后,疇壁運動速度v=u[2].因此,對于具有相同的電流極化率和飽和磁化強度的材料,大的非絕熱近似項的體系會產(chǎn)生更高的疇壁運動速度.基于電流驅動磁疇壁運動,IBM的Parkin[13]于2004年提出了三維的高密度賽道存儲器(race-track),并于2008年成功演示了平面賽道存儲器[14],結構如圖3所示,左側是寫入脈沖,產(chǎn)生磁疇,一個移位脈沖通過自旋轉移矩,使得磁疇壁移動,再利用磁隧道結來讀取數(shù)據(jù).

圖3 (網(wǎng)刊彩色)賽道存儲器結構示意圖 (引自文獻[15])Fig.3.(color online)The schematic diagrams of the track memory(taken from Ref.[15]).

2.1.2 電流驅動磁矩翻轉

在單層磁性材料中,電流還可以通過自旋軌道耦合相互作用產(chǎn)生的有效磁場,實現(xiàn)磁矩翻轉.2009年,Chernyshov等[16]首次報導了在GaMnAs鐵磁薄膜中電流通過自旋軌道耦合作用產(chǎn)生的有效場,實現(xiàn)了較低電流密度下電流誘導磁化翻轉.他們采用的器件結構如圖4(a)所示,有八個接觸點的(Ga,Mn)As器件,由于自旋軌道耦合的各向異性,施加不同方向的電流,會產(chǎn)生不同方向的有效場,如圖4(c)和圖4(d)所示.隨后,Endo等[17]在2010年實現(xiàn)了(Ga,Mn)As中自旋軌道耦合矩(spin orbit torque,SOT)誘導的磁化方向180°翻轉.自旋軌道耦合效應包括晶體反演不對稱性導致的Dresselhaus和結構反演不對稱性導致的Rashba效應,通過對比(Ga,Mn)As/GaAs和(Ga,Mn)(As,P)/GaAs樣品發(fā)現(xiàn),材料中不同的拉伸和壓縮,導致Dresselhaus效應產(chǎn)生的有效場方向相反[18].由于Dresselhaus和Rashba效應對不同電流方向產(chǎn)生有效場方向的異同,從而可以定量地分析材料中這兩種效應的相對大小.Li等[19]通過測試沿不同晶向電流誘導磁矩翻轉,觀察到電流誘導磁化翻轉的效果與電流通過的晶向密切有關,從而得到Dresselhaus誘導有效場的大小大約是Rashba誘導的三倍.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)器件的設計和自旋軌道場的對稱性 (a)具有8個非金屬接觸點的樣品的原子力顯微鏡圖像;(b)器件示意圖,其中藍色和紅色虛線分別表示易軸和難軸方向,圖中顯示了施加不同電流方向時測得的有效場Heff;由應變誘導(c)和Rashba(d)自旋軌道相互作用的有效磁場相對于電流的方向;電流誘導的Oersted場具有與Rashba場相同的對稱性(引自文獻[16])Fig.4.(color online)Layout of the device and symmetry of the spin-orbit fields：(a)Atomic force micrograph of sample with eight non-magnetic metal contacts;(b)diagram of device orientation with respect to crystallographic axes,with easy and hard magnetization axes marked with blue dashed and red dot-dash lines,respectively,measured directions ofHefffield are shown for different current directions;(c),(d)orientation of effective magnetic field with respect to current direction for strain-induced(c)and Rashba(d)spin-orbit interactions.The current-induced Oersted field under the contacts has the same symmetry as the Rashbafield(all panels are taken from Ref.[16]).

此外,利用自旋軌道耦合的機理,也可以在反鐵磁材料單層結構中實現(xiàn)電流誘導磁化翻轉[20,21].在室溫下的FeRh/MgO結構中利用反鐵磁各向異性實現(xiàn)了電流誘導磁化翻轉[20].與鐵磁材料相比,反鐵磁材料具有磁化翻轉速度更快的優(yōu)勢[22].

近年來,電流驅動斯格明子(Skyrmions)的研究受到了自旋電子學領域的廣泛關注.斯格明子是一種自旋構成的漩渦拓撲納米磁結構,其中心處自旋與無窮遠處自旋方向相反,自旋方向連續(xù)變化.2010年,Jonietz等[23]首次在低溫(26-28 K)下實現(xiàn)了MnSi中電流驅動斯格明子的運動.2012年,Yu等[24]報導了接近室溫條件下FeGa中低電流密度驅動斯格明子的運動.近年來,通過結構設計以及摻雜的方式成功地在室溫下獲得了斯格明子[25,26],由于驅動斯格明子運動所需的臨界電流密度很小(約102A/cm2),所以它在低能耗、高密度磁存儲方面具有很大的潛在應用價值.

2.2 重金屬/鐵磁層結構中的磁化翻轉

基于重金屬/鐵磁層(或重金屬/鐵磁層/氧化層)結構中,電流通過非磁重金屬如Pt,Ta層利用自旋霍爾效應產(chǎn)生的自旋流可以控制磁性層的磁化翻轉.重金屬非磁層產(chǎn)生的自旋流通過STT效應可以調控鐵磁層的翻轉.另外,在重金屬/鐵磁層/氧化層結構中,由于鐵磁層上下界面的反演不對稱,一般也具有較強的Rashba效應,沿著界面流動的電子受到Rashba有效場的作用,從而實現(xiàn)磁性層的磁化翻轉.

Miron等[27,28]在室溫下實現(xiàn)了Pt/Co/AlOx中電流誘導鐵磁層垂直磁化翻轉,他們發(fā)現(xiàn)水平電流可以在平行于電流外場下控制垂直各向異性的薄Co層磁化向上或向下,他們認為Rashba效應對Co的磁化翻轉起主要作用.對于類似結構,Liu等[29]在Ta/CoFeB/MgO體系中觀測到水平電流對CoFeB磁矩的翻轉,并在水平外磁場下實現(xiàn)了電流對CoFeB的定向翻轉.在Pt/Co/AlOx結構中,結合電流誘導磁化翻轉的實驗結果和宏自旋模型分析,認為Pt中自旋霍爾效應是磁化翻轉的主要機理[30].電流翻轉磁矩起源的爭論引起了相關研究者對非磁/鐵磁結構磁化翻轉機理的興趣.Fan等[31]在非磁金屬/鐵磁金屬界面插入不同厚度的Cu層后,仍舊可以觀察到電流誘導磁化翻轉,由于Cu中自旋流損耗非常小,說明該效應并不依賴于重金屬/鐵磁金屬的界面,這驗證了自旋霍爾效應而非Rashba效應起主導作用.為了進一步驗證自旋霍爾效應和Rashba效應對電流誘導磁化翻轉的貢獻,Yang等[32]設計了對稱的Pt/CoNiCo/Pt器件(圖5),通過二次諧波測量證明,此種結構幾乎沒有Rashba效應的存在,但與具有強Rashba效應的Pt/Co/AlOx非對稱結構器件相比[33],電流導致的有效場并沒有顯著降低,由此說明自旋霍爾效應在磁化翻轉過程中起決定性作用.

通過自旋軌道矩實現(xiàn)電流誘導非磁/鐵磁體系中磁矩的定向翻轉,通常需要施加一個平行于電流方向的外磁場,這是因為自旋霍爾效應和Rashba產(chǎn)生的有效場并沒有使磁性材料中的自旋產(chǎn)生向上或向下的優(yōu)先取向,在沒有水平外磁場的條件下,向上或者向下的翻轉是隨機的[34].外加水平磁場使得磁矩向上和向下翻轉所需的力矩不等,從而實現(xiàn)磁矩的可控定向翻轉[35,36].由于外加磁場不利于器件的高速化和集成化,因此利用純電學方法翻轉磁矩是當前研究的重要目標之一.設計面內對稱性破缺可以實現(xiàn)零磁場下的電流誘導磁矩定向翻轉[37-42]：例如在Ta/CoFeB/TaOx結構中,制備楔形的TaOx,破壞了水平方向的對稱性,可產(chǎn)生一個等效的水平電場,實現(xiàn)無外場下的定向翻轉[37];或者在Ta/CoFeB/MgO結構中利用Ar+刻蝕去掉氧化層的一部分,實現(xiàn)鐵磁層的一部分不被其覆蓋,使得易磁軸方向產(chǎn)生一個偏角[41].這種調控氧化層的方法具有不可控性,而且可能會對下面的鐵磁層磁學特性產(chǎn)生影響.還可以在濺射生長磁性薄膜時改變靶材和基板的相對位置,也使得易磁軸偏離垂直膜平面的方向[42].利用反鐵磁層和鐵磁層的交換偏置產(chǎn)生水平偏置場,也可以實現(xiàn)無外場下電流誘導磁化定向翻轉[43,44].此外利用鐵電基片上產(chǎn)生的極化電場,也可以實現(xiàn)電流誘導磁矩的可控定向翻轉[45].

圖5 (網(wǎng)刊彩色)對稱的Pt/CoNiCo/Pt結構器件(引自文獻[32])Fig.5.(color online)The structure of the symmetrical Pt/CoNiCo/Pt device(taken from Ref.[32]).

2.3 鐵磁/非磁金屬/鐵磁(FM/NM/FM)三明治結構中的磁化翻轉

利用電流還可以實現(xiàn)對鐵磁/非磁金屬/鐵磁三明治結構中鐵磁自由層的磁化翻轉,這包括自旋閥(spin valve)和磁隧道結(MTJ)中自由層磁矩的翻轉.自旋閥是利用巨磁阻效應(GMR)制備的鐵磁體(釘扎層)/非磁性金屬/鐵磁體(自由層)結構.磁隧道結與自旋閥惟一不同的是中間非磁性層為絕緣體,電流是電子以隧穿的方式通過中間的絕緣層.

當電子從釘扎層流向自由層時,它首先被釘扎層極化,形成自旋極化電流,電子通過自由層時,由于STT作用,可以實現(xiàn)自由層磁矩翻轉到平行于釘扎層的方向.而反過來,當電子從自由層流向釘扎層時,它首先被自由層極化,當自旋極化電流中的電子穿過釘扎層時,由于釘扎層的矯頑力大,磁矩方向穩(wěn)定,與釘扎層磁矩方向不同的電子會被反射回自由層,從而使自由層磁矩翻轉到反平行于釘扎層的方向.

2000年,Katine等[46]實現(xiàn)了贗自旋閥納米結構中的電流誘導磁化翻轉;2004年,Huai等[47]和Fuchs等[48]首次分別在MTJ中實現(xiàn)了電流誘導磁化翻轉.對于MTJ中磁性層的易磁化軸在面內和面外的器件,其臨界翻轉電流值分別為Ic0=2eαMsV(H+H//k+2πMs)/(?P)[49]和Ic0=2eαMsV(H+H⊥k-4πMs)/(?P)[50], 其中Ms為自由層飽和磁化強度,V為自由層體積,P為自旋電流的極化率,H為沿著易磁化軸方向的外加磁場,H//k為薄膜的平面各向異性場,H⊥k為薄膜的垂直各向異性場.相比于面內磁化MTJ,垂直各向異性MTJ需要的翻轉電流密度更小.所以,近年來垂直各向異性結構的MTJ受到了人們的更多關注.

根據(jù)MTJ的臨界電流公式,我們可以通過選擇飽和磁化強度及阻尼系數(shù)較小的材料,如CoFeB[51,52]或者鐵磁半導體作為自由層;另外減小自由層厚度也能夠降低臨界電流密度[53];還可以通過減小非磁性層的厚度,或者在自旋閥的自由層和頂電極之間插入金屬Ru層[54,55]增強電流的自旋極化率,來實現(xiàn)降低臨界電流密度的目的.

利用自旋電流控制MTJ自由層磁矩的翻轉,可以研制自旋轉移矩磁性隨機存儲器(STTMRAM)[56].STT-MRAM利用電流誘導的自旋轉移矩寫入數(shù)據(jù),利用隧道磁阻效應讀出數(shù)據(jù),它有可能是下一代隨機存儲器的重要發(fā)展方向之一,具有密度高、速度快、非揮發(fā)性的優(yōu)點.

3 利用電壓方法調控磁化翻轉

電流方法調控磁矩翻轉一般需要比較高的電流密度,這會導致很嚴重的熱效應及能耗問題,這是人們當前關注的熱點和急需解決的問題.利用電壓替代電流調控磁矩翻轉,可以極大程度地降低調控磁化翻轉的能耗.通常電壓調控磁矩翻轉有三種不同的機理：壓電效應、磁電耦合效應和柵極電場效應.利用這些不同的調控機理,都可以實現(xiàn)電壓對磁矩的調控作用.

3.1 通過壓電效應對磁矩的調控

磁性材料的自發(fā)磁化狀態(tài)及磁滯回線與材料的磁晶各向異性密切相關,壓電效應通過形變會改變磁性材料的晶格常數(shù),從而直接影響其磁晶各向異性,最終實現(xiàn)電壓調控磁性材料的磁矩.常用的壓電材料包括Pb(Zr,Ti)O3,BaTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[57]等.為了實現(xiàn)壓電效應對磁矩的調控作用,可以制備壓電/磁性異質結,在電壓的作用下,壓電材料表現(xiàn)出拉伸或者收縮形變,這種形變會傳遞到鐵磁層,從而導致磁性薄膜的晶格常數(shù)發(fā)生變化,達到電壓調控磁矩翻轉的目的.

在鐵磁性薄膜材料和壓電材料異質結中,壓電效應對磁矩的調控已經(jīng)得到了實驗證實[58-68].在Fe/GaAs/PZT異質結中,實現(xiàn)了無外加磁場作用下壓電效應對磁晶各向異性能的調控,發(fā)現(xiàn)在不同的電壓作用下,不同晶向的磁滯回線受到了不同程度的調控[58].在Co2FeAl/GaAs/PZT異質結構中,設計PZT形變稍稍偏離Co2FeAl易磁化軸[110]方向,通過對PZT施加不同的電壓,通過平面霍爾電壓和磁滯回線的測試,實現(xiàn)了在無外磁場條件下電壓調控磁矩90°翻轉,并基于此類器件,成功演示了NOT和NOR的邏輯功能(如圖6所示)[59].在Ni/PZT異質結中,實現(xiàn)了電壓調控磁矩180°翻轉[60].在磁隧道結MTJ/PMN-PT結構中,電壓對磁矩有明顯的調控作用,通過對PMN-PT施加電壓,MTJ中的自由層CoFeB的磁矩發(fā)生改變,從而導致MTJ的隧穿電阻發(fā)生了變化[61].在多鐵異質結CoFeB/PMN-PT(001)中,實現(xiàn)了電壓誘導應變對CoFeB薄膜磁矩的非易失調控[62].

3.2 磁電耦合作用對磁矩的調控

除了利用壓電性可以實現(xiàn)調控磁矩之外,鐵電材料的鐵電特性也可以實現(xiàn)磁矩的調控.在對鐵電材料施加外加電壓時,會誘發(fā)其產(chǎn)生鐵電極化,從而產(chǎn)生一個極化電場.在超薄磁性薄膜/鐵電性材料構成的異質結中,鐵電極化電場通過磁電耦合,可以改變磁性材料界面處的自旋結構以及軌道雜化情況,從而可以實現(xiàn)磁性的調控[63,69-72].在PbZr0.2Ti0.8O3/LaSrMnO3(LSMO)/SrTiO3(001)多鐵異質結中,當對PbZr0.2Ti0.8O3施加極化電場后,發(fā)現(xiàn)LSMO的磁化強度在電場的作用下出現(xiàn)回滯,證實鐵電和鐵磁材料之間存在磁電耦合作用[69];而在多鐵異質結Fe/BaTiO3中,Duan等[70]發(fā)現(xiàn)界面磁性隨鐵電極化翻轉而改變,局域態(tài)密度計算結果表明,Fe和Ti原子的3d軌道與O原子2p軌道的雜化在界面處發(fā)生磁電耦合,從而實現(xiàn)電壓調控Fe磁矩的變化.在FeRh/BaTiO3異質結中,發(fā)現(xiàn)BaTiO3在電壓作用下會產(chǎn)生應力和極化電場,這兩種效應都會對FeRh的磁矩有調控作用,并且可以使得FeRh在反鐵磁和鐵磁之間轉換[71].

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(a)壓電效應調控由[100]Co2FeAl器件構成的NOT門電路的示意圖;(b)NOT門運算的真值表;(c)壓電效應調控由[010]和[100]Co2FeAl器件構成的NOR門電路示意圖;(d)輸出電壓隨著壓電電壓的變化構成的NOR門運算的真值表(引自文獻[59])Fig.6.(color online)(a)The schematic diagram of a piezo voltage controlled[100]orientated Co2FeAl device built for NOT gate;(b)truth table summary of the operation described in NOT gate;(c)the schematic diagram of piezo voltages controlled[010]and[100]Co2FeAl devices built for NOR gate,where the piezo voltagesUP1andUP2for the[010]and[100]devices,respectively;(d)the output voltages of the NOR gates with varying the piezo voltages for NOR logic gates(taken from Ref.[59]).

3.3 柵極電場效應對磁矩的調控

利用柵極電場也可以實現(xiàn)磁矩的調控作用,在鐵磁金屬或鐵磁半導體/介電絕緣材料/金屬材料結構中,通過對鐵磁層施加柵壓,可以有效地調控鐵磁材料中3d軌道電子或者稀土元素4f電子的態(tài)密度,從而影響電子的自旋特性,實現(xiàn)對鐵磁性材料磁特性的調控作用.利用柵壓對Fe(001)/MgO(001)結構的調控,發(fā)現(xiàn)電場可以導致磁各向異性的變化,起到調控磁性的作用[73].Wang等[74]首次報導了在CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結中實現(xiàn)了電壓調控磁性,他們利用電壓脈沖和很小的電流,實現(xiàn)了對矯頑力和隧道磁電阻的調控.隨后在Co0.6Fe0.2B0.2/Oxide樣品[75]和Mo/CoFeB/MgO結構[76]中,進一步驗證了柵極電場對磁矩調控的作用.除了對磁矩的調控作用之外,電場也可以有效調控磁疇壁的運動[77-79].柵壓調控磁特性,還可以通過離子液體來實現(xiàn)電壓對磁矩的調控作用,在Pt/Co/Ni/HfO2/離子液體結構中,利用柵極電壓,實現(xiàn)了正負離子向相反方向遷移,從而產(chǎn)生一個電場,調控了Co/Ni雙層結構中的飽和磁化強度與居里溫度[80].

4 總結和展望

本文主要介紹了電學方法控制自旋翻轉和磁疇壁運動的研究進展,包括：利用自旋極化電流,在單層膜、重金屬/鐵磁層、鐵磁層/非磁金屬/鐵磁層等結構中實現(xiàn)自旋極化電流的產(chǎn)生,利用自旋極化電流誘導磁化翻轉或驅動疇壁運動;利用電壓方法,通過壓電效應、磁電耦合效應和柵極電場效應等方式實現(xiàn)對磁矩的調控.

當前通過電學方法控制磁化翻轉的研究重點和挑戰(zhàn)主要有以下四個方面：

1)對于電流驅動磁疇壁和控制磁化翻轉,仍需進一步降低臨界電流密度并提高穩(wěn)定性,以滿足實際應用的要求;

2)與用電流調控方法相比,利用電場驅動疇壁運動和實現(xiàn)磁化翻轉可以大大降低能耗,實現(xiàn)超高密度和超低能耗的電場控制自旋器件;

3)對純自旋流調控磁性的研究,如果器件中只有自旋流而沒有電荷流,利用它來操控磁疇壁和磁化翻轉的能耗也會比較低,這是很有前景的下一代自旋電子學器件,不過純自旋流的產(chǎn)生和測量是研究的難點;

4)結合電流和電壓的優(yōu)勢有可能是實現(xiàn)自旋電子學器件走向應用的重要途徑,它的難點在于如何有效利用這兩種方法,并實現(xiàn)高密度集成.

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PACS:75.78.Jp,75.78.-n,75.85.+t DOI:10.7498/aps.66.027501

Progress of electrical control magnetization reversal and domain wall motion?

Zhang Nan1)Zhang Bao1)Yang Mei-Yin1)Cai Kai-Ming1)Sheng Yu1)2)Li Yu-Cai1)Deng Yong-Cheng1)Wang Kai-You1)?

1)(State Key Laboratory of Super Lattices and Microstructures,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China)
2)(Department of Physics,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100048,China)

11 October 2016;revised manuscript

28 November 2016)

Electrical control of spins in magnetic materials and devices is one of the most important research topics in spintronics.We briefly describe the recent progress of electrical manipulations of magnetization reversal and domain wall motion.This review consists of three parts:basic concepts,magnetization manipulation by electrical current and voltage methods,and the future prospects of the field.

The basic concepts,including the generation of the spin current,the interaction between the spin current and localized magnetization,and the magnetic dynamic Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski equation are introduced first.

In the second part,we reviewed the progress of the magnetization controlled by electrical current and voltage.Firstly we review the electrical current control of the magnetization and domain wall motion.Three widely used structures,single-layer magnets,ferromagnet/heavy metal and ferromagnet/nonmagnetic metal/ferromagnet,are reviewed when current is used to induce magnetization reversal or drive domain wall motion.In a single-layer magnetic material structure,domain wall can be effectively driven by electrical current through spin transfer torque.The factors influencing the domain wall trapping and motion are also discussed.The electrical current control of the skyrmions has big potential applications due to much lower current density.Using the Dresselhaus and Rashba spin orbital coupling,the electrical current can also directly reverse the magnetization of single magnetic or antiferromagnetic layer.Then,we review the electrical current switching the magnetization of the ferromagnetic layer in ferromagnetic/heavy metal structures,where both spin Hall effect and Rashba effect can contribute to the current switching magnetization in such device structures.To identify the relative contributions of these two mechanisms,several quantitative studies are carried,concluding that spin Hall effect plays a major role,which is summarized in this review.Finally,we review the current switching magnetization of free layers in spin valve and magnetic tunnel junctions(MTJs)by spin transfer torque.We also discuss the approaches to the decrease of the critical current density in MTJs,which is desired for future applications.

Alternatively,the electric field can also be used to manipulate the magnetization,where three methods are reviewed.Applying an electric field to the ferromagnetic/piezoelectric heterostructures,which changes the crystal structure of magnetic film through piezoelectric effects,realizes the change of the magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer.In ferromagnetic/ferroelectric heterostructures,electric field changes the spin distribution and orbital hybridization at the surface of magnetic film through the magnet-electric coupling effects,and then controls the magnetization of the ferromagnetic layer.In ferromagnetic metal(semiconductor)/dielectric/metal structure,electric field controls the electron accumulation or depletion at the surface of the ferromagnetic metal or semiconductor,the change of the electron density in the magnetic layer in turn affects the magnetic exchange interaction and magnetic anisotropy.

Finally,we present the prospects for the development of electrical control magnetization reversal and domain wall motion for future applications.

spintronics,spin transfer torque,spin-orbit coupling,voltage control

:75.78.Jp,75.78.-n,75.85.+t

10.7498/aps.66.027501

?國家重點基礎研究發(fā)展計劃(批準號：2014CB643903)和國家自然科學基金(批準號：61225021,11174272,11474272)資助的課題.

?通信作者.E-mail：kywang@semi.ac.cn

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2014CB643903)and the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61225021,11174272,11474272).

?Corresponding author.E-mail：kywang@semi.ac.cn