聲表面波輔助亞鐵磁CoTb薄膜中磁疇壁移動

鄭文慧，邊肖南，藺 濤，曹 洋, 蘇 丹，孫一銘，楊德政，閻照文，雷 娜

(1. 北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)(2. 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191)(3. 蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁性材料教育部重點實驗室，蘭州 730000)

1 前 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能的爆炸式發(fā)展及應(yīng)用，人們對信息存儲容量和性能的要求日益提高，傳統(tǒng)的存儲器愈發(fā)難以滿足需求?；陔娮幼孕龑傩缘男滦妥孕鎯ζ骶哂蟹且资?、高速度、低功耗等諸多優(yōu)良特性，成為科研界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點。其中，2008年P(guān)arkin等[1]提出的賽道結(jié)構(gòu)自旋存儲器(racetrack memory，RM)可以實現(xiàn)三維高集成度，具備高存儲密度的優(yōu)點，迅速成為自旋電子學(xué)研究的熱點。賽道存儲器中數(shù)據(jù)信息的傳輸是通過施加電流驅(qū)動磁疇壁移動而實現(xiàn)的，可以通過電流的自旋轉(zhuǎn)移矩(spin-transfer torque，STT)[2, 3]和自旋軌道矩(spin-orbit torque，SOT)[4]兩種不同的物理效應(yīng)而實現(xiàn)。但電流驅(qū)動均伴隨著焦耳熱，由此帶來的散熱和能量耗散問題不可避免，極大地限制了電流驅(qū)動方式的應(yīng)用。因此，探索并實現(xiàn)低功耗的磁疇壁驅(qū)動方式是賽道存儲器發(fā)展的關(guān)鍵。

電壓驅(qū)動磁疇壁移動被認(rèn)為是一種高效且低功耗的數(shù)據(jù)傳輸方法[5]。在鐵電/鐵磁復(fù)合多鐵體系中，鐵電層逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞給鐵磁層，進而可以有效調(diào)控其磁疇壁移動。如將磁性納米線與壓電微米線相耦合，利用局域電壓產(chǎn)生的局部應(yīng)變，可以有效地釘扎磁疇壁[6]。但靜態(tài)應(yīng)力僅可以控制磁疇壁的位置，難以高效驅(qū)動磁疇壁連續(xù)移動，而且在不同的器件位置需要分布大量的電觸點，增加了器件制作的復(fù)雜性[7]。為克服這些不足，近年來研究者們開始嘗試使用動態(tài)應(yīng)力——聲表面波(surface acoustic wave，SAW)來操控磁性樣品的磁化動力學(xué)行為。2010年，Davis等[8]發(fā)現(xiàn)SAW傳輸過程中產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力可以轉(zhuǎn)動Co磁性納米顆粒的磁化易軸方向，揭示了SAW在快速磁化翻轉(zhuǎn)上應(yīng)用的可能。2016年，Thevenard等[9, 10]在具有垂直磁各向異性的稀磁半導(dǎo)體(Ga, Mn)(As, P)中實現(xiàn)了SAW誘導(dǎo)的磁矩進動以及矯頑場的顯著降低；之后又在具有面內(nèi)磁各向異性的稀磁半導(dǎo)體中實現(xiàn)了由SAW輔助的零場磁化翻轉(zhuǎn)[11]。對于SAW驅(qū)動磁疇壁移動的研究，Dean等[12]通過仿真模擬驗證了通過SAW調(diào)控磁納米線中磁疇壁移動的可能性。近期實驗在鐵磁多層膜體系中已實現(xiàn)SAW輔助磁疇壁的移動，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純磁場驅(qū)動下的磁疇壁速率[13, 14]。

SAW通過磁彈效應(yīng)改變材料的磁矩取向[15]，因此材料的磁彈系數(shù)越大，SAW驅(qū)動磁疇運動的效率將越高。有文章指出，稀土(rare-earth，RE)元素具有較大的軌道磁矩以及磁彈系數(shù)[16]，在其與過渡金屬(transition metal，TM)構(gòu)成的RE-TM亞鐵磁薄膜材料中，由于RE元素的貢獻(xiàn)，該體系也具有高磁彈特性[16, 17]，預(yù)期具有高的SAW驅(qū)動效率。另一方面，在RE-TM亞鐵磁薄膜中，過渡元素與RE元素的磁矩相互抵消[18]，在磁矩和角動量補償點附近，該薄膜具有低磁化強度和快速的自旋動力學(xué)特性[19， 20]。已有實驗表明，在亞鐵磁體系中電流驅(qū)動磁疇壁移動具有較高的效率[21-24]，且在其角動量補償點附近獲得最快5.7 km/s的磁疇壁移動速率[23]。因此，基于RE-TM亞鐵磁薄膜材料來開展SAW驅(qū)動磁疇壁移動的研究，因其高磁彈系數(shù)、快速自旋動力學(xué)特性的顯著優(yōu)點，有望實現(xiàn)更高效率以及更快速率的磁疇壁移動。

本工作以一種具有垂直磁各向異性的RE-TM薄膜材料——CoTb薄膜為研究對象，利用SAW驅(qū)動該亞鐵磁性薄膜中的磁疇壁移動。通過系統(tǒng)地改變頻率和幅值，研究SAW對CoTb薄膜矯頑場以及磁疇壁移動速率的調(diào)控效應(yīng)。探究了SAW驅(qū)動亞鐵磁疇壁移動的可能性，期望在亞鐵磁體系下，實現(xiàn)低功耗且快速的磁疇壁驅(qū)動。

2 方法與原理

本工作利用磁控濺射在128°Y-XLiNbO3三方晶體襯底上生長具有垂直磁各向異性的CoTb亞鐵磁性薄膜，結(jié)構(gòu)為LiNbO3/Ta(3 nm)/Pt(3 nm)/CoTb(2 nm)/Pt(3 nm)。磁控濺射本底氣壓為6.7×10-6Pa，工作氣壓為0.15 Pa，Co，Tb生長功率分別為60和18 W,經(jīng)計算得到其組分為Co86.6Tb13.4。Hall bar及叉指電極(interdigital transducer，IDT)器件由光刻、氬離子束刻蝕等工藝制成，如圖1a所示。IDT的指寬a與指間距b均為7 μm，得到SAW的波長為λ=2(a+b)=28 μm。每個IDT均有40對叉指，孔徑長度w=1820 μm，兩個IDT之間的距離為3660 μm。利用磁光克爾效應(yīng)(magneto-optical Kerr effect, MOKE)測得CoTb Hall bar的磁滯回線，如圖1b所示，其中橫坐標(biāo)Hz表示外加z方向的磁場。

當(dāng)給一端IDT通入射頻信號時，交叉排列的電極分別通入正負(fù)交替的電壓，高速震蕩的電場通過襯底的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生SAW，SAW沿x方向傳播經(jīng)過Hall bar，并到達(dá)另一端電極，將聲波信號轉(zhuǎn)為電壓信號輸出。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzer, VNA)測得SAW的頻譜如圖1c所示，S11為反射頻譜，S21為傳輸頻譜。從圖中可見S11和S21在中心頻率f0=141 MHz處有一個明顯的譜峰，已知SAW波長λ=28 μm，可得其傳播速率v=λ·f0=3948 m/s，這與128°Y-XLiNbO3晶體中SAW的傳播速率相符合[25]，由此說明設(shè)計的IDT器件有效激發(fā)了SAW的產(chǎn)生[13]。

圖1 聲表面波器件與Hall bar器件結(jié)構(gòu)示意圖，薄膜材料結(jié)構(gòu)為Pt(3 nm)/CoTb(2 nm)/Pt(3 nm)/Ta(3 nm)(a);通過磁光克爾效應(yīng)測得的CoTb Hall bar磁滯回線(b);聲表面波的反射(S11)和傳輸(S21)頻譜(c)

3 結(jié)果與分析

利用MOKE測量了亞鐵磁CoTb在施加SAW后磁滯回線的變化,如圖2a所示。在施加SAW的功率為25 dBm(3.976 V)的情況下，CoTb的矯頑場Hc降低，其減小幅度依賴于SAW的頻率，如圖2b所示。在SAW的中心頻率141 MHz處的矯頑場變化量|ΔHc|最大，為10.2 Oe。這種SAW調(diào)控矯頑場的效應(yīng)在FeGa[26]、(Ga, Mn)(As, P)[10]以及Co/Pt多層膜[13]中均有發(fā)現(xiàn)，而且在后兩者中也呈現(xiàn)了類似的頻率共振特性。其原因為，在共振頻率處，SAW產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力降低了CoTb薄膜磁化翻轉(zhuǎn)的能量勢壘，從而導(dǎo)致了矯頑場的減弱[10]。矯頑場變化的極大值與SAW共振峰都出現(xiàn)在141 MHz，這種頻譜變化趨勢的一致性可以證明矯頑場的降低來源于SAW，而不是微波的寄生效應(yīng)[27, 28]。此外，利用紅外成像測溫儀測量了Hall bar的溫度變化，其測量誤差在±2 ℃以內(nèi)，測得在SAW共振頻率處Hall bar溫度由室溫(26.5 ℃)升至32 ℃，這對樣品磁性的影響可以忽略不計。綜上所述，通過排除微波和熱效應(yīng)的影響，可得知SAW是矯頑場降低的主要原因。

圖2 利用磁光克爾效應(yīng)測得的在不同頻率射頻信號下Hall bar的磁滯回線，叉指電極輸入功率均為25 dBm(3.976 V)(a)；矯頑場變化量絕對值|ΔHc|隨施加射頻信號頻率變化曲線(b)；在實驗得到的中心頻率(141 MHz)下，傳播場Hp、成核場Hn隨施加射頻信號電壓的變化(c)

磁化翻轉(zhuǎn)的微觀過程包含磁疇的成核與磁疇壁傳播。為了研究SAW調(diào)控CoTb薄膜矯頑場的物理機理，進一步分析了磁疇成核場Hn以及傳播場Hp與施加射頻信號電壓值的關(guān)系。在圖2a中標(biāo)記了Hp、Hn在磁滯回線中選取點的位置，Hp取自磁化強度為零時的磁場即Hc，為磁疇壁傳播的平均場；Hn取自磁化翻轉(zhuǎn)的臨界拐點，即為磁疇的成核場。由圖2c可知，當(dāng)施加于IDT的射頻信號的幅值約為0.6 V時，Hn出現(xiàn)顯著減小，后隨幅值進一步增大而趨于平緩。因此，僅當(dāng)電壓達(dá)到閾值后，磁疇才可成核，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)報道結(jié)果相一致[10]。而Hp在SAW達(dá)到應(yīng)變閾值之后，呈線性減小，后趨于緩和。由此可以看到在SAW作用下，Hp與Hn隨電壓的變化關(guān)系存在差異，但都在達(dá)到閾值電壓后隨著電壓的升高而持續(xù)減小。

通過磁疇觀測進一步分析了SAW對磁化翻轉(zhuǎn)微觀過程的影響。在同一塊磁性薄膜上，加工了一系列不同尺寸的IDT，并用于磁疇的測量。如圖3所示的器件，使用VNA測得其中心頻率為130 MHz。磁疇的觀察使用空間分辨率為0.195×0.195 μm2/pixel的極向克爾顯微鏡。首先對樣品進行正向飽和磁化，后施加略大于樣品成核場的反向脈沖磁場，使磁疇壁保持蠕動行為。分別測量了在未加(圖中左列)和外加SAW(右列)條件下，磁場驅(qū)動的磁疇壁移動，如圖3所示。圖中用黃色虛線標(biāo)記了磁疇壁所在位置，其移動同SAW傳播方向一致，均沿+x方向。通過左右兩列對比可見，施加單一磁場脈沖，SAW輔助下比單純磁場驅(qū)動的磁疇壁移動距離更遠(yuǎn)。通過將磁疇壁移動的距離和時間進行線性擬合，可得出在沒有SAW輔助的情況下磁疇壁移動速率約為2092 μm/s，SAW輔助下的磁疇壁移動速率約為3683 μm/s，提高了約76%。由此，SAW可以顯著提高CoTb薄膜的磁疇壁移動速率。

圖3 克爾顯微鏡下觀測的未施加聲表面波(左)與施加聲表面波(右)下磁疇壁移動對比圖。施加射頻信號的功率為25 dBm，頻率為130 MHz，垂直方向的脈沖磁場為90 Oe，脈寬為26 ms。單個磁場脈沖下，施加聲表面波的磁疇壁移動距離約為89 μm，未施加聲表面波的磁疇壁移動距離約為57 μm

圖4a為在IDT施加25 dBm射頻功率，施加不同頻率SAW和未施加SAW的條件下，磁疇壁移動距離(L)和時間(t)的關(guān)系，如圖4c所示，進一步擬合可得到其移動速率。在有SAW輔助的情況下，磁疇壁移動速率明顯提高。將磁疇壁移動速率與SAW頻率的關(guān)系繪制成曲線，如圖4b所示，可知在SAW的中心頻率處，磁疇壁移動速率達(dá)到最大，這與前文SAW降低CoTb薄膜矯頑場的行為相吻合。在SAW的中心頻率下，施加不同電壓的射頻信號，得到如圖4d所示電壓和磁疇壁速率的關(guān)系，經(jīng)線性擬合后得到磁疇壁移動速率與電壓成正比。結(jié)合SAW的應(yīng)變幅值與射頻信號的電壓值成正比[10]，可知CoTb薄膜磁疇壁移動速率同SAW的應(yīng)變幅值成正比。此前，在駐波中測得Co/Pt多層膜體系中矯頑場及磁疇壁移動速率同電壓成正比[13]。而在行波中，對以成核為主的磁化翻轉(zhuǎn)過程進行理論分析，得出在SAW行波達(dá)到閾值功率后，(Ga, Mn)(As, P)矯頑場的降低同SAW功率呈線性關(guān)系[10]。本工作激發(fā)的是SAW行波，得到的磁疇壁移動速率變化趨勢同駐波下的實驗結(jié)果相近，對于此結(jié)果，作者猜測是由于器件的反射在IDT之間產(chǎn)生了行駐波，此猜想仍需進行進一步的實驗驗證。SAW工作在中心頻率且磁疇壁保持在蠕動行為時，施加25 dBm射頻信號，由頻譜估算得實際作用電壓為3.5 V，由此得到最快磁疇壁移動速率為3683 μm/s；同樣情況下，[Co/Pd]2/Py體系施加15 dBm射頻信號，電壓約為0.94 V，最快磁疇壁移動速率為172 μm/s[14]；而Co/Pt多層膜體系施加30 dBm射頻信號，電壓約為5.12 V，得到磁疇壁移動速率最快為50 μm/s[13]。與之相較，本文CoTb薄膜體系中SAW輔助驅(qū)動磁疇壁的移動速率具有明顯的優(yōu)勢。

圖4 未施加聲表面波以及施加各種不同頻率聲表面波(25 dBm)條件下，磁疇壁移動距離與時間的關(guān)系(a)；磁疇壁移動速率與聲表面波頻率的關(guān)系(b)；未加聲表面波以及施加130 MHz不同電壓的聲表面波條件下，磁疇壁移動距離和時間的關(guān)系(c)；磁疇壁移動速率與施加射頻電壓的關(guān)系，插圖：磁疇壁移動速率與施加射頻功率的關(guān)系(d)

利用SAW輔助CoTb薄膜的磁疇壁移動，其物理原理為SAW產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)變調(diào)控材料體系的垂直磁各向異性。由于逆磁致伸縮效應(yīng)，SAW行駐波改變了CoTb薄膜的磁彈性能，有效的磁彈性能(UME)[8]為：

(1)

其中,B1=B2=24×106N/m2，為CoTb薄膜的磁彈系數(shù)(magneto-elastic coefficient)[16],ai為磁化強度的方向余弦，εxy、εxz為切向應(yīng)力，εxx為縱向應(yīng)力，由于CoTb薄膜厚度為4 nm，遠(yuǎn)小于SAW的波長λ，SAW產(chǎn)生的切向應(yīng)變作用貢獻(xiàn)很小，因此主要考慮縱向應(yīng)變，上式可以簡化為[13]：

UME=B1εxxax2

(2)

由此得到作用在磁疇壁上有效瞬時壓力(FME)為[29]：

(3)

4 結(jié) 論

本工作將聲表面波(SAW)作用于亞鐵磁性CoTb薄膜，觀測并確認(rèn)了SAW降低CoTb薄膜矯頑場以及輔助驅(qū)動磁疇壁移動的作用，且在SAW的中心頻率處，得到最快的磁疇壁移動速率為3683 μm/s。此外，在亞鐵磁體系下，利用SAW輔助驅(qū)動的快速磁疇壁移動，為實現(xiàn)低功耗目標(biāo)的自旋存儲器件提供了一種新的方案。在此基礎(chǔ)上，未來通過提高磁彈耦合系數(shù)改進SAW器件效能，以及使用SAW駐波驅(qū)動等方式[12]，有望進一步摒棄磁場的輔助，實現(xiàn)SAW高效驅(qū)動磁疇壁移動。