NiFe/Pt雙層薄膜中的自旋霍爾磁阻

李樹(shù)發(fā)，楊 濤，洪 渭，陳春雷

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NiFe/Pt雙層薄膜中的自旋霍爾磁阻

李樹(shù)發(fā)1,2，楊 濤2，洪 渭1，陳春雷1

（1. 廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 中國(guó)科學(xué)院物理研究所，北京 100190）

【目的】研究NiFe/Pt雙層薄膜中的自旋霍爾磁阻(SMR)，其中NiFe是鐵磁金屬導(dǎo)體?！痉椒ā坑脴?biāo)準(zhǔn)四探針?lè)y(cè)量不同Pt層厚度的NiFe/Pt電阻，通過(guò)擬合得到Pt層和NiFe層的電阻率；測(cè)量NiFe/Pt薄膜縱向磁電阻的磁場(chǎng)依賴特性?！窘Y(jié)果】Pt層電阻率遠(yuǎn)小于NiFe層電阻率，表明電流幾乎僅在Pt層流通。此外，界面處的自旋混合電導(dǎo)及縱向電阻R的磁場(chǎng)角度依賴特性進(jìn)一步表明R由SMR主導(dǎo)，沒(méi)有各向異磁阻（AMR）的貢獻(xiàn)。分別在，和軸施加磁場(chǎng)均觀測(cè)到SMR，但是SMR的磁阻率不同，最大約為0.1%。不同磁場(chǎng)下SMR的角度依賴特性表明SMR可由小磁場(chǎng)控制?！窘Y(jié)論】基于SMR的新型磁阻傳感器可用于海洋科學(xué)技術(shù)中磁場(chǎng)信息探測(cè)。

自旋霍爾磁阻；霍爾探測(cè)系統(tǒng)；NiFe/Pt

海洋科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)海洋測(cè)試技術(shù)提出了更高要求。傳感器是獲取各種信息的最重要技術(shù)手段之一，其中磁阻傳感器是一種基于磁阻效應(yīng)的新型傳感器。所謂磁阻效應(yīng)，即磁性金屬材料的電阻依賴于磁化強(qiáng)度變化，如各向異性磁阻（AMR）[1]、巨磁阻（GMR）[2-3]和隧穿磁阻（TMR）[4-5]。磁阻傳感器就是利用磁阻效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量電阻變化確定磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向，進(jìn)而確定載體的角度、位置和位移等信息，有尺寸小、方便集成、靈敏度高、抗干擾性好、可靠性高、成本低等特點(diǎn)[4]，廣泛應(yīng)用于船舶導(dǎo)航控制[6-7]、海洋地磁場(chǎng)測(cè)量[8]及海洋浮標(biāo)[9-10]等海洋測(cè)試方面。

基于AMR、GMR和TMR磁阻效應(yīng)的磁阻傳感器需電流在金屬磁體中的流通來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-5]，這會(huì)導(dǎo)致明顯的層內(nèi)散射。當(dāng)前發(fā)現(xiàn)了一種全新的磁阻效應(yīng)，電流毋需通過(guò)磁體材料亦可實(shí)現(xiàn)電阻依賴于磁化強(qiáng)度、方向而變化。該全新磁電阻叫作自旋霍爾磁阻（spin Hall magnetoresistance）[11]，是基于自旋霍爾效應(yīng)（spin Hall effect）和逆自旋霍爾效應(yīng)（inverse spin Hall effect）實(shí)現(xiàn)的。在鐵磁/重金屬雙層薄膜中通過(guò)電流時(shí)，重金屬層的強(qiáng)自旋-軌道耦合作用產(chǎn)生自旋霍爾效應(yīng)，使電荷流產(chǎn)生垂直于膜面的自旋流。當(dāng)這個(gè)凈自旋流流向鐵磁層與重金屬層的界面時(shí)，如果自旋流的自旋極化方向與鐵磁層中磁矩方向共線，自旋流反射并流回重金屬層。重金屬層的逆自旋霍爾效應(yīng)使自旋流產(chǎn)生與原電流方向相同的電荷流，重金屬層處于低阻態(tài)；如果自旋流的自旋極化方向與鐵磁層中磁矩方向垂直，自旋流被鐵磁體吸收，僅極小部分自旋流反射回重金屬層，由逆自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電荷流極小，導(dǎo)致重金屬層處于高阻態(tài)?？梢?jiàn)，自旋霍爾磁阻受鐵磁層磁矩的控制。然而，在鐵磁金屬材料中SMR通常小于AMR[1]。為避免AMR的干擾，當(dāng)前通常采有絕緣鐵磁體或反鐵磁體作為鐵磁層研究SMR的特性[12-15]，因?yàn)槭┘与娏鞑⒉粫?huì)流過(guò)絕緣鐵磁層，即不產(chǎn)生AMR，但SMR磁阻率很低。有報(bào)道提出可利用鐵磁金屬導(dǎo)體作為FM層，如CoFeB[16]，可提高SMR磁阻率。但CoFeB與Pt、W具有可比擬的電阻率[16-17]。于是施加電流時(shí)，在CoFeB與Pt、W層均有電流分布，不僅會(huì)產(chǎn)生AMR[17]，還可能引起其他磁阻效應(yīng)，影響SMR的準(zhǔn)確測(cè)量以及對(duì)其磁場(chǎng)特性的正確認(rèn)識(shí)。此外，為提高SMR的磁阻率，通常需施加磁感應(yīng)強(qiáng)度1 T左右或以上的磁場(chǎng)[16-17]，對(duì)SMR型磁阻傳感器用于探測(cè)海洋測(cè)試技術(shù)中的磁場(chǎng)信息不利。

本文采用軟磁金屬NiFe作為鐵磁層，利用四探針?lè)ㄑ芯縉iFe/Pt雙層薄膜的自旋霍爾磁阻。實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同Pt層厚度的NiFe/Pt電阻，并擬合得到Pt層電阻率遠(yuǎn)小于NiFe層電阻率，表明電流僅在Pt層流通而不流過(guò)NIiFe層。于是縱向磁電阻R主要由SMR主導(dǎo)，無(wú)AMR的貢獻(xiàn)。這被NiFe/Pt界面處的自旋混合電導(dǎo)和R的磁場(chǎng)角度依賴特性進(jìn)一步證實(shí)。分別在，和軸施加磁場(chǎng)均可觀測(cè)到SMR，但磁阻率不同。磁場(chǎng)施加在軸時(shí)磁阻率最大，約0.1%。不同磁場(chǎng)下R的角度依賴特性表明SMR可由小磁場(chǎng)控制?；赟MR的磁阻傳感器將來(lái)可用于探測(cè)海洋科學(xué)技術(shù)中的磁場(chǎng)信息。

1 材料與方法

利用磁控濺射在SiO2/Si上沉積不同Pt厚度的NiFe/Pt雙層薄膜，背底真空為5×10-6Pa。NiFe層厚度固定為2.2 nm，Pt層厚度分別為2、3、4、5、6、8 nm。使用Ar作為濺射氣體，濺射氣體壓強(qiáng)為0.4 Pa。利用X射線反射儀（XRR, Brucker D8）鑒定層的厚度。XRR曲線反映的是薄膜上下界面的反射光束干涉產(chǎn)生的干涉條紋，其周期隨薄膜厚度的變化關(guān)系可由Bragg公式sin2= (/ 2)2+ 2表示，實(shí)驗(yàn)中利用theta/two theta掃描測(cè)量XRR衍射強(qiáng)度隨入射角的關(guān)系，然后采用leptos軟件擬合反射曲線獲取薄膜的厚度參數(shù)[18]。樣品光刻成霍爾桿（Hall bar），寬度為1 mm，長(zhǎng)度為10 mm。在傳統(tǒng)霍爾探測(cè)系統(tǒng)中搭配高分辨率萬(wàn)用表（Keithley@6220 和2182A），利用標(biāo)準(zhǔn)四探針?lè)y(cè)量NiFe/Pt雙層薄膜的縱向磁電阻R，0.5 mA的直流電流施加在軸方向，如圖1所示。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

圖1 霍爾測(cè)量系統(tǒng)示意

2 結(jié)果與討論

2.1 NiFe/Pt的電阻測(cè)量

在圖1中不施加磁場(chǎng)時(shí)，測(cè)量的R即為NiFe/Pt雙層薄膜的普通電阻。不同Pt層厚度NiFe/Pt樣品的電阻如圖2所示，電阻值隨著Pt層厚度的增大而減小。這是因?yàn)镻t層厚度越大，Pt層的電阻越小，因而NiFe/Pt樣品總的電阻也越小。NiFe/Pt樣品的電阻可看成是NiFe層電阻與Pt層電阻的并聯(lián)。NiFe/Pt電阻與NiFe層電阻率NiFe、Pt層電阻率Pt的關(guān)系如下[19]，

其中，NiFe和Pt分別為NiFe和Pt的厚度。利用公式（1）對(duì)圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得NiFe、Pt的電阻率分別為790.35、66.24 μΩ·cm?？梢?jiàn)，Pt的電阻率遠(yuǎn)小于NiFe的電阻率，即使在最小Pt厚度的NiFe（2.2）/Pt（2）樣品中，Pt層電阻也遠(yuǎn)小于NiFe電阻。因而，實(shí)驗(yàn)中施加的直流電流幾乎全部分布在重金屬Pt層內(nèi)，而未流過(guò)NiFe鐵磁層。于是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的磁電阻R幾無(wú)AMR的貢獻(xiàn)。

實(shí)線為擬合結(jié)果Solid line is the fitting curve

2.2 NiFe/Pt中SMR對(duì)磁場(chǎng)大小的依賴關(guān)系

施加磁場(chǎng)后，NiFe（2.2）/Pt（2）的縱向電阻R隨磁場(chǎng)大小的關(guān)系見(jiàn)圖3 –5。當(dāng)磁場(chǎng)施加在軸方向時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。最明顯的結(jié)果是觀察到正磁阻，即不加磁場(chǎng)時(shí)R最小，而增大磁場(chǎng)時(shí)R變大。在施加磁場(chǎng)范圍內(nèi)，R變化值約為0.2 Ω，相應(yīng)于磁阻率為6.0×10-2%。當(dāng)磁場(chǎng)施加在軸時(shí)，觀測(cè)的是負(fù)磁阻（圖4），即不加磁場(chǎng)時(shí)xx最大，增大磁場(chǎng)時(shí)R變小，磁阻率約為-1×10-1%，大于鐵磁絕緣體和反鐵磁體FM/HM的SMR磁阻率[16,17]。當(dāng)磁場(chǎng)施加在軸時(shí)，觀測(cè)的是正磁阻（圖5），磁阻率約為6.6×10-2%?？梢?jiàn)，磁場(chǎng)施加在不同方向的磁阻率是有差別的。在軸時(shí)施加磁場(chǎng)時(shí)磁阻率最大，在和軸施加磁場(chǎng)時(shí)磁阻率基本相同。

掃描磁場(chǎng)大小時(shí)，R隨磁場(chǎng)施加方向不同而變化的關(guān)系表明，NiFe/Pt的磁阻與磁矩取向有關(guān)。在NiFe/Pt中施加電流后，電流僅在Pt層流通，由于自旋霍爾效應(yīng)，不同自旋取向的電子分別向軸正方向和負(fù)方向移動(dòng)，產(chǎn)生自旋極化取向垂直于電流方向的自旋流。自旋流傳到界面附近時(shí)，如自旋極化取向與NiFe層磁矩共線（磁場(chǎng)施加在軸），由于不存在自旋轉(zhuǎn)移力矩的吸收，絕大部分自旋反射并流回Pt層。由于逆自旋霍爾效應(yīng)，Pt層反方向的自旋流將產(chǎn)生與之前電流同向的額外電荷流，從而導(dǎo)致Pt層處于低阻態(tài)（圖4）。

圖3 磁場(chǎng)H施加在x軸時(shí)NiFe(2.2)/Pt(2)磁電阻Rxx的磁場(chǎng)依賴關(guān)系

圖4 磁場(chǎng)H施加在y軸時(shí)NiFe(2.2)/Pt(2)磁電阻Rxx的磁場(chǎng)依賴關(guān)系

圖5 磁場(chǎng)H施加在z軸時(shí)NiFe(2.2)/Pt(2)磁電阻Rxx的磁場(chǎng)依賴關(guān)系

當(dāng)磁場(chǎng)施加在和軸時(shí)，NiFe的磁矩隨磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)到和方向，與界面處自旋流的自旋極化取向垂直，自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)導(dǎo)致大部分自旋被吸收，僅極小部分自旋流反射回Pt層，從而在Pt層形成高阻態(tài)（圖4、5）。盡管幾無(wú)電子進(jìn)入NiFe鐵磁層內(nèi)，Pt層電阻的變化仍可反映Pt層電子自旋與NiFe層磁矩的關(guān)系。考慮自旋流以后，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的磁電阻R即自旋霍爾磁阻，其依賴于自旋極化取向與磁矩方向的關(guān)系。磁場(chǎng)施加在軸時(shí)磁阻率最大，說(shuō)明NiFe層磁矩在這個(gè)方向最容易被磁化。

鐵磁/重金屬雙層薄膜中SMR的數(shù)值通常與界面處的自旋混合電導(dǎo)有關(guān)。SMR變化值Δ與界面處的自旋混合電導(dǎo)↓↑的關(guān)系可表示為[17]，

式中SH= 0.0648為Pt的自旋霍爾角[11]，0、、、N分別表示重金屬層的電阻率、電導(dǎo)，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和厚度。其中，Pt的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度= 1.31 nm[17]。對(duì)于NiFe（2.2）/Pt（2），利用式（2）算得↓↑= 2.25×1017m-2，這與SMO/Pt界面處的自旋混合電導(dǎo)可比擬[20]，說(shuō)明在NiFe（2.2）/Pt（2）界面處存在明顯的自旋依賴電導(dǎo)，且在界面處建立起自旋電流探測(cè)的可靠性。

2.3 NiFe/Pt中SMR對(duì)磁場(chǎng)角度的依賴關(guān)系

將從縱向磁電阻R的磁場(chǎng)角度依賴關(guān)系區(qū)分SMR與AMR，進(jìn)一步確認(rèn)NiFe/Pt中測(cè)量的縱向磁電阻與AMR無(wú)關(guān)。AMR與SMR對(duì)磁場(chǎng)角度的依賴特性有很大差別：AMR主要由電流與磁矩的夾角進(jìn)行控制，而SMR依賴于自旋極化取向與磁矩的夾角。在縱向磁電阻測(cè)量中，SMR電阻率的變化由下式表示[11]，

而AMR電阻率的變化卻表示為[11]

其中ΔA=∥－⊥，∥與⊥分別為磁矩取向平行和垂直于電流方向時(shí)的縱向電阻率。從（3）與（4）式可見(jiàn)，AMR依賴于磁矩的分量m，而SMR依賴于分量m。在進(jìn)行磁場(chǎng)角度掃描時(shí)將會(huì)看到SMR與AMR的明顯差別。

在測(cè)量NiFe（2.2）/Pt（2）樣品縱向磁電阻R對(duì)磁場(chǎng)角度的依賴關(guān)系時(shí)，固定磁感應(yīng)強(qiáng)度為100、26、6 mT，分別在面（掃描）、面（掃描）和面（掃描）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。

(a):角表示磁場(chǎng)在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)與軸的夾角；(b):角表示磁場(chǎng)在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)與軸的夾角；(c):角表示磁場(chǎng)在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)與軸的夾角；所有、和掃描時(shí)施加磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為100、26、6 mT

in (a) is the angle between magnetic field andaxis as magnetic field rotates inplane;in (b) is the angle between magnetic field andaxis as magnetic field rotates inplane;in (c) is the angle between magnetic field andaxis as magnetic field rotates inplane; The,andcurves are all measured under the magnetic filed 100, 26 and 6 mT, respectively.

圖6 NiFe(2.2)/Pt(2)薄膜磁電阻R的磁場(chǎng)角度依賴關(guān)系

Fig. 6 magnetic angular-dependent magnetoresistanceRof NiFe(2.2)/Pt(2) film

和掃描曲線的周期為180°，顯示出cos2和cos2的依賴關(guān)系如圖6（a）和（b）所示。當(dāng)角度為0° 和180° 時(shí)R最大，因?yàn)镻t層自旋流的自旋極化取向垂直于NiFe層磁矩的方向；而角度為90° 和270° 時(shí)R最小，因?yàn)镻t層自旋流的自旋極化取向與NiFe層磁矩的方向平行。仔細(xì)觀察掃描曲線，發(fā)現(xiàn)在90° 和270° 時(shí)R變化比較平緩，而在0° 和180° 時(shí)變化尖銳，說(shuō)明NiFe磁矩更趨向于在面內(nèi)分布，而不是離面分布。xx對(duì)磁場(chǎng)角度的依賴關(guān)系并不隨磁場(chǎng)的減小而顯著減小，6 mT的小磁場(chǎng)足以驅(qū)動(dòng)NiFe層磁矩的變化，這是NiFe層軟磁特性的體現(xiàn)。這不同于反鐵磁/重金屬雙層薄膜和CoFeB/Pt或CoFeB/W觀測(cè)SMR時(shí)需施加1 T左右或以上的磁場(chǎng)[16-17]。此外，根據(jù)式（3），掃描時(shí)SMR并不會(huì)隨磁場(chǎng)方向改變，因?yàn)镹iFe層磁矩的方向相對(duì)于Pt層自旋流的自旋極化取向是不變的。如圖6（c）所示，R幾乎不隨角度變化，這類(lèi)似于YIG/Pt、SMO/Pt的掃描結(jié)果[13,20]。雖然R的角度依賴特性消失，但是在0° 和180° 時(shí)R具有尖銳的谷值，因?yàn)镹iFe層磁矩的突然面內(nèi)重新取向。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同Pt層厚度下NiFe/Pt的電阻，經(jīng)擬合，重金屬Pt層電阻率遠(yuǎn)小于鐵磁金屬NiFe層電阻率，表明實(shí)驗(yàn)中施加的電流幾未流過(guò)NiFe層。因此，縱向磁電阻R主要由SMR主導(dǎo)，無(wú)AMR的貢獻(xiàn)。界面處的自旋混合電導(dǎo)及R的掃描特性進(jìn)一步證實(shí)這一結(jié)果。在、和軸分別施加磁場(chǎng)時(shí)，均觀測(cè)到SMR，但磁阻率卻不同，最大約0.1%。不同磁場(chǎng)下R的角度依賴特性表明SMR可由小磁場(chǎng)控制。本實(shí)驗(yàn)利用軟磁金屬/重金屬雙層薄膜實(shí)現(xiàn)了較為純凈的SMR，并且在小磁場(chǎng)下也有較為可觀的磁阻率，這對(duì)豐富SMR的材料來(lái)源及提高磁阻率具有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)價(jià)值?；赟MR的磁場(chǎng)依賴特性，SMR磁阻效應(yīng)可用于制作新型磁阻傳感器并用來(lái)探測(cè)海洋科學(xué)技術(shù)中的微弱磁場(chǎng)。但是也應(yīng)意識(shí)到，現(xiàn)有SMR的磁阻率還不高，不足以用作高靈敏度的測(cè)試，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，繼續(xù)探索提高SMR磁阻率的方法。

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Investigation on Spin Hall Magnetoresistance of NiFe/Pt Bilayer Films

LI Shu-fa1,2, YANG Tao2, HONG Wei1, CHEN Chun-lei1

（1.,,524088,; 2.,,100190,）

【Objective】The spin Hall magentoresistance (SMR) was studied in NiFe/Pt bilayers, where NiFe is a ferromagnetic metal.【Methods】The Pt thickness dependence of resistance of NiFe/Pt was measured by the standard four-point Hall probing system, and the resistivity of Pt and NiFe layers was obtained with the fitting. Subsequently, the magnetic field dependent longitudinal magentoresistance of NiFe/Pt bilayer was measured. 【Results】The resistivity of Pt layer was much smaller than that of the NiFe layer, which indicates that all the current only follows in Pt layer. In addition, both the spin-mixing conductance at the interface and angular dependence of the longitudinal resistanceRfurther indicate thatRis dominated by SMR without the contribution of anisotropic magnetoresistance. SMR can be observed under the external field applied in,andaxes, respectively. However, the magnetoresistance ratio is different among them, and the maximum difference is about 0.1%. The angular dependent SMR in the NiFe/Pt bilayer under various magnetic fields indicates that SMR can be controlled by a small magnetic field. 【Conclusion】The results of this study indicates that the SMR-based magentoresistive sensor could be used for the detection of magnetic fields in marine science and technology.

spin Hall magnetoresistance; Hall probing system; NiFe/Pt

O469; O484.3

A

1673-9159（2019）04-0096-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.04.014

2019-05-28

廣東省自然科學(xué)基金(2015A030310003)；廣東海洋大學(xué)“南海青年學(xué)者”計(jì)劃

李樹(shù)發(fā)（1986―），男，博士，主要從事磁性薄膜中超快動(dòng)力學(xué)、磁阻輸運(yùn)及磁阻傳感器研究。E-mail: lishufa310@163.com

李樹(shù)發(fā)，楊濤，洪渭，等. NiFe/Pt雙層薄膜中的自旋霍爾磁阻[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（4）：96-100.

（責(zé)任編輯：劉慶穎）