华中科技大学游龙研究团队基于高垂直磁各向异性L10FePt单层膜的电流驱动SOT磁化翻转研究

　　引言
　　在本研究中，华中科技大学游龙研究团队利用自旋轨道力矩（SOT）在单层  L  10 FePt铁磁层中实现了电流驱动的部分磁化翻转，其中  L  10FePt具有高垂直各向异性，  K  u⊥为1.19 × 107 erg‧cm−3（1 erg‧cm−3 = 0.1 J‧m−3）。与传统Ta/CoFeB/MgO结构相比，  L  10 FePt的SOT效率（  β  DL）要高几倍，可达8 × 10−6 Oe∙(A‧cm−2)−1（1 Oe = 79.57747 A‧m−1）。  L  10 FePt的SOT效应起源于FePt内部分布不均匀的位错和缺陷造成的结构反演对称性破缺。进一步，采用MgO和SrTiO3（STO）两种衬底制备FePt自旋器件，基于MgO衬底的FePt具有颗粒状结构，而生长于STO衬底上的FePt则为连续结构。研究发现，基于MgO衬底的FePt器件具备更高的SOT等效场及SOT效率，且FePt的SOT效率不仅取决于溅射温度导致的化学有序度变化，还与晶格失配导致的微观结构变化有关。本文的研究可为基于SOT效应的高热稳定性电致磁记录提供有效的方法。
　　对于先进的现代信息技术而言，需要一种简单有效的方法来操控具有高磁晶各向异性性能样品的磁化翻转。与传统的磁场调控磁化翻转相比，利用自旋矩效应的电流调控磁化翻转具有更高存储密度、更快写入速度和更低能量损耗等优势。自旋轨道力矩（SOT）是自旋轨道耦合效应的典型现象之一，SOT效应为电学调控纳米磁结构的磁化翻转提供了新方法，其相关研究已受到了广泛关注。通常，SOT类似于自旋转移力矩，通过自旋轨道效应[如自旋霍尔效应（SHE）和Rashba-Edelstein效应]将电荷流转化为自旋流（Js），再由自旋流转变为SOT。
　　在过渡金属化合物中，L10 FePt具有最高垂直磁晶各向异性，其高垂直各向异性源于Pt 5d和Fe 3d电子间的自旋与轨道角动量及杂化间的强耦合，这可让基于FePt 的存储单元在被微缩至5 nm时仍具备高的热稳定性。然而，高垂直各向异性也为调控FePt的磁化翻转带来了极大挑战。目前，已有几类方法包括能量辅助磁记录法、电压控制法、基于探针的自旋注入法可辅助调控FePt磁化翻转，但是仍存在稳定性、兼容性等突出问题，使其难以在实际中得到应用。基于自旋轨道耦合的SOT效应的发现为电学调控L10 FePt磁化翻转开辟了可能的新道路。近期，已有少量研究报道了基于单层L10 FePt的电流驱动磁化翻转。
　　虽然目前的研究可以利用SOT实现高垂直各向异性FePt磁化翻转，但是，L10 FePt的微观结构对SOT性能的影响还有待系统研究。事实上，不同的微观结构可能会影响FePt的垂直各向异性及化学有序度，进而导致SOT性能存在差异。因此，对于FePt的微观结构如何影响其SOT性能的问题还需要详细研究。基于此目的，华中科技大学游龙研究团队在单层FePt中实现了电流驱动的SOT磁化翻转。进一步，他们还系统研究了衬底及生长温度对FePt器件的SOT有效场的影响。通过改变生长温度和衬底，得到了具有不同微观结构的垂直各向异性FePt，同时也发现了微观结构对FePt器件SOT效率的影响规律。
　　研究表明，相较于生长于SrTiO3（STO）衬底上的FePt样品，基于MgO衬底的FePt样品具备更大的垂直各向异性和SOT有效场（图1）。研究还发现，SOT效率受化学有序度和晶格失配导致的微观结构变化的影响，且在10 nm厚度的高垂直各向异性FePt样品中得到高达8 ×10−6 Oe∙(A‧cm−2)−1的SOT效率。本文的研究有助于推动FePt在自旋电子器件领域中的应用。
　　图1. （a）FePt 10 nm/MgO样品（300 ℃）的临界翻转电流密度JC与外部磁场Hx之间的关系图；（b）FePt 10 nm/MgO（500 ℃）样品在不同电流密度下的SOT有效场拟合曲线。
　　关键词： L 10 FePt；自旋轨道力矩；反演非对称；磁化翻转；垂直各向异性
　　原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.09.018
　　以上内容来自：Kaifeng Dong, Chao Sun, Laizhe Zhu, Yiyi Jiao, Ying Tao, Xin Hu, Ruofan Li, Shuai Zhang, Zhe Guo, Shijiang Luo, Xiaofei Yang, Shaoping Li, Long You. Current-Induced Magnetic Switching in an  L 10 FePt Single Layer with Large Perpendicular Anisotropy through Spin–Orbit Torque [J]. Engineering, 2022, 12(5): 55-61.