垂直磁各向异性CoPt多层膜在自旋电子学中的应用

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2020年第13期
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文章编号：2095－6835（2020）13－0155－02
垂直磁各向异性Co/Pt 多层膜在自旋电子学中的应用
刘帅，云霞
（北京工商大学物理系，北京100048）
摘要：随着电子学的发展，人们对电子元件的尺寸、功耗和信息处理速度等指标均提出了更高的要求。

而材料
是制备各种电子元器件的基础，其中Co/Pt 多层膜以其良好的垂直磁各向异性等优点而备受人们的关注。

到目前为止，人们已经成功把垂直磁各向异性Co/Pt 多层膜应用到了磁记录、自旋阀、磁隧道结、反常霍尔元件、畴壁移动自旋器件、磁性斯格明子、自旋轨道矩元件等领域，并获得了优异的性能。

关键词：Co/Pt 多层膜；垂直磁各向异性；自旋阀；磁隧道结中图分类号：O482文献标识码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2020.13.065
1引言
在传统电子学中，人们重点利用的是电子的电荷属性，20世纪80年代末发现的巨磁电阻效应开辟了人类对电子的另一重要属性——自旋属性操纵的新纪元。

之后人们把电子的自旋属性和电荷属性进行有机结合，进而开创了一个崭新的研究领域——自旋电子学[1]。

时至今日，自旋电子学经过30年的发展已经取得了举世瞩目的成就，如高密度计算机硬盘、高性能非挥发磁随机存储器等。

两位巨磁电阻的发现者也因此而获得了2007年的诺贝尔物理奖。

要想制备出高性能的自旋电子学器件，首先要有高性能的材料，所以归根到底，材料才是整个自旋电子学发展的基础。

自旋电子学中常用的材料包括过渡金属Fe 、Co 、Ni 以及它们与各种非磁金属、氧化物等复合而成的材料体系。

这其中Co/Pt 多层膜体系以其良好的垂直磁各向异性、容易调制的各种磁性参数以及大自旋轨道耦合效应等优点而在自旋电子学中得到了广泛引用。

2Co/Pt 多层膜及其性能特点
1988年CARCIA 发现，在用磁控溅射生长的Co/Pt 周期性多层膜中，当Co 层厚度小于1.4nm 时，多层膜可具有垂直磁各向异性[2]。

Co/Pt 周期性多层膜的几何结构如图1所示，Co/Pt 多层膜垂直和平行薄膜表面方向的磁滞回线如图2所示，可以看到多层膜有非常好的垂直磁各向异性。

Co/Pt 多层膜之所以在自旋电子学中被广泛应用是由于它具有以下几方面的优良性质：多层膜的有效磁各向异性常数Keff 可高达106erg/cm 3量级；可以通过简单调节周期膜中Co 层厚度、Pt 层厚度、周期数等因素调控多层膜的磁性，例如矫顽力、饱和场等；Pt 层的自旋流很强，所以可以通过高效的自旋轨道矩翻转磁性层的磁矩；除了在磁学中常用的磁场和电流外，还可以通过电压、激光脉冲等手段调控Co/Pt
多层膜的磁性。

图1Co/Pt 多层膜
图2Co/Pt 多层膜垂直和平行膜面
结构示意图
方向的磁滞回线
3Co/Pt 多层膜在自旋电子学中的应用3.1磁光记录介质和垂直磁记录介质
Co/Pt 多层膜在短波长（＜500nm ）范围有很大的磁光科尔效应，这为高磁光记录密度的实现提供了可能[3]。

除了磁光记录介质，Co/Pt 多层膜还可作为垂直磁记录介质储存信息。

目前，人们已经制备出了垂直磁各向异性常数为10×106erg/cm 3，矫顽力高达4.7kOe 的可作为垂直磁记录介质的Co/Pt 多层膜，进一步在Pt 底层和玻璃基片之间插入FeTaC 软磁层可使矫顽力提高到5.8kOe 。

Co/Pt 多层膜的高垂直磁各向异性常数和较薄的记录层厚度使其很有前景成为下一代磁记录介质。

3.2具有垂直磁各向异性的自旋阀
随着电子元件尺寸缩小到亚微米量级，面内磁各向异性材料在磁矩翻转过程中的卷曲效应越来越明显，这极大限制了其实际应用。

为了缩小元件尺寸从而提高存储密度，具有垂直磁各向异性的材料被引入到了自旋阀结构中。

人们首先制备出了以Co/Pt 多层膜为铁磁层、以反铁磁FeMn 为钉扎层的交换偏置自旋阀结构。

但是这种交换偏置自旋阀的磁电阻值都很低（不到1%），其主要原因是自旋阀中极厚的金
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属反铁磁层产生了严重的分流作用。

课题组经过仔细优化自由层和参考层厚度等因素，制备出了具有良好垂直磁各向异性的无金属反铁磁层的赝自旋阀结构Pt（5nm）/[Co（0.4nm）/Pt（0.6nm）]3/Co（0.4nm）/Cu（3nm）/[Co（0.4nm）/Pt （1.5nm）]4，并获得了室温下3.0%的磁电阻值[4]。

上述自旋阀在磁电阻测量过程中电流平行膜面流动，称为电流平行平面自旋阀，还有一种自旋阀电流垂直膜面流动，称为电流垂直平面自旋阀，电流垂直平面自旋阀中铁磁层磁化强度的翻转可以不借助外磁场，而是利用自旋极化电流产生的自旋转移矩。

目前，人们已经制备出了以Co/Ni和Co/Pt多层膜为铁磁层的电流垂直平面自旋阀结构，在该自旋阀中还实现了在不借助外磁场情况下电流直接对铁磁层磁矩的翻转。

3.3具有垂直磁各向异性的磁隧道结
和自旋阀一样，制备磁隧道结的材料也经历了从面内磁各向异性向垂直磁各向异性的转变[5]。

人们首先制备出了以Co/Pt多层膜为参考层和自由层、以AlO x为隔离层的垂直隧道结结构，并且在6.5×4μm2的元件上测量得到了15%的隧道磁电阻值。

后来，人们把AlO x隔离层换成了结晶化程度更好的MgO隔离层，通过优化实验参数获得了室温下19%的隧道磁电阻值。

由于重金属元素Pt有很强的自旋轨道耦合作用，一方面导致纯Co/Pt多层膜磁隧道结隧道磁电阻值较低；另一方面还导致磁性层的磁阻尼系数很大，在利用自旋转移矩翻转磁化强度时需要较大的电流密度，不利于降低元件的能耗。

而CoFeB的磁阻尼较小，磁化强度易于翻转，同时磁电阻值也较高，但是缺点是垂直磁各向异性较弱。

结合Co/Pt多层膜和CoFeB各自的优缺点，人们制备出了含有上述两种磁性层的复合结构磁隧道结并获得了良好的性能，其中一种结构为Ta（5nm）/[CuN（20nm）/Ta（5nm）]2/Ru（5nm）/[Co（0.2nm/Pt（0.2nm）]4/Co60Fe20B（0.8nm）/MgO （1.1nm）/Co70Fe30（0.4nm）/Co60Fe20B（1.3nm）/TbFeCo （16nm）。

3.4反常霍尔效应元件
由于Co和Pt原子之间的强烈自旋轨道耦合作用以及界面散射，Co/Pt多层膜具有非常大的反常霍尔效应[6]。

可以利用Co/Pt多层膜的反常霍尔效应制备传感器、记忆单元和逻辑单元等。

为了提高元件的性能，需提高Co/Pt多层膜的反常霍尔电阻值，多数情况下还要减小其饱和场和矫顽力。

人们发现通过引入MgO、CoO和Hf等功能层可使Co/Pt多层膜的反常霍尔性能有很大提高。

3.5畴壁移动自旋器件
Co/Pt多层膜强烈的垂直磁各向异性使多层膜中形成了厚度仅为纳米量级的Bloch畴壁，同时磁光科尔效应为测量
畴壁移动速度提供了方便，所以Co/Pt多层膜特别适合制作畴壁移动记录单元。

目前已经实现在Co/Pt多层膜纳米线中，利用磁场和电流驱动多层膜畴壁快速移动，研究还发现表面声波的辅助作用可使Co/Pt多层膜的畴壁移动速度提高一个数量级[7]。

3.6磁性斯格明子
磁性斯格明子是一种拓扑保护性的粒子，由于其尺寸小、易被电流驱动等特点可以应用于未来高密度磁信息存储等领域[8]，最近几年，这一新兴研究领域在全球范围内引起了人们的极大关注。

在Pt/Co/Metal体系中，人们也发现了磁性斯格明子的存在，例如Pt/Co/Ir体系、Pt/Co/W体系、Pt/Co/Os体系等。

目前，人们正对这些体系进行系统研究，以期能获得较快的斯格明子移动速度等性能。

3.7自旋轨道矩器件
自旋轨道矩是由自旋霍尔效应引起的自旋力矩，和自旋转移矩类似，自旋轨道矩也可用来翻转磁性层的磁矩。

在Co/Pt体系中，人们发现了很强的自旋轨道矩效应并对此进行了深入研究[9]。

目前，人们已经把自旋轨道矩效应应用在了磁随机存储器中去翻转自由层的磁矩。

相较于自旋转移矩，自旋轨道矩有着更快的读写速度和更低的功耗，同时也很好规避了自旋转移矩器件中由于使用很大的电流穿过隧道结而带来的耐久性问题。

4结束语
综上所述，Co/Pt多层膜在自旋电子学中有着非常重要且广泛的应用。

伴随着自旋电子学的发展，Co/Pt多层膜的性能也被逐渐优化，以期适用于更多的高性能自旋电子学器件中。

参考文献：
［1］都有为.自旋电子学及其器件产业化［J］.科学中国人，2016（13）：6-13.
［2］CARCIA P F.Perpendicular magnetic anisotropy in Pd/Co and Pt/Co thin-film layered structures［J］.Journal of
Applied Physics，1988，63（10）：5066-5073.
［3］VISNOVSKY S，LISKOVA E J，NYVLT M，et al.Origin of magneto-optic enhancement in CoPt alloys and Co/Pt
multilayers［J］.Applied Physics Letters，2012，100（23）：232409.
［4］SHUAI L，GUANG-HUA Y，MEI-YIN Y，et al.Co/Pt multilayer-based pseudo spin valves with perpendicular
magnetic anisotropy［J］.Rare Metals，2014，33（6）：646-651.
［5］GALLAGHER W J，PARKIN S S P，LU Y，et al.Microstructured magnetic tunnel junctions［J］.Journal
of Applied Physics，1997，81（8）：3741-3746.
（下转第159页）
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2020年第13期
·159·
M.Parvovirus glycan interactions ［J ］.Current Opinion in Virology ，2014（7）：108-118.
［3］CHATTERJEE S ，WONG K K.Adeno-associated virus
vectors for gene therapy of the hematopoietic system ［J ］.Current Topics in Microbiology and Immunology ，1996（218）：61-73.
［4］RUSSELL S ，BENNETT J ，WELLMAN J A ，et al.Efficacy
and safety of voretigene neparvovec （AAV2-hRPE65v2）in
patients
with
RPE65-mediated
inherited
retinal
dystrophy ：a randomised ，controlled ，open-label ，phase 3trial ［J ］.Lancet ，2017，390（10097）：849-860.［5］GAO G ，VANDEMBERGHE L H ，ALVIRA M R ，et
al.Clades of
adeno-associated
viruses
are
widely
disseminated in human tissues ［J ］.J Virol ，2004，78
（12）：6381-6388.
［6］YANG Y ，WANG L L ，BELL P ，et al.A dual AAV system
enables the Cas9-mediated correction of a metabolic liver disease in newborn mice ［J ］.Nat Biotechnol ，2016，34（3）：334.
［7］ABUDAYYEH O O ，GOOTENBERG J S ，
ESSLETZBICHLER P ，et al.RNA targeting with CRISPR-Cas13［J ］.Nature ，2017，550（7675）：280.［8］GRIMM D ，STREETZ K L ，JOPLING C L ，et al.Fatality
in mice due to oversaturation of cellular microRNA/short hairpin RNA pathways ［J ］.Nature ，2006，441（7092）：537-541.
［9］XIE J ，MAO Q ，TAI P W L ，et al.Short DNA hairpins
compromise recombinant adeno-associated virus genome homogeneity ［J ］.Mol Ther ，2017，25（6）：1363-1374.［10］XIE J ，TAI PWL ，BROWN A ，et al.A novel
rAAV-amiRNA platform enables potent in vivo gene silencing and a ten-fold enhancement of on-target specificity over conventional shRNA vectors ［J ］.Mol
Ther ，2018，26（5）：436-437.
［11］ASLANIDI G ，LAMB K ，ZOLOTUKHIN S.An inducible
system for highly efficient production of recombinant adeno-associated virus （rAAV ）vectors in insect Sf9cells ［J ］.P Natl Acad Sci USA ，2009，106（13）：5059-5064.
［12］KONRATOV O ，MARSIC D ，CROSSON SM ，et al.Direct
head-to-head evaluation of recombinant adeno-associated viral vectors manufactured in human versus insect cells ［J ］.Mol Ther ，2017，25（12）：2661-2675.［13］SNIJDER J ，WATERBEEMD M ，DAMOC E ，et
al.Defining the stoichiometry and cargo Load of viral and bacterial nanoparticles by orbitrap mass spectrometry ［J ］.J Am Chem Soc ，2014，136（20）：7295-7299.［14］ZHONG L ，LI B ，MAH C S ，et al.Next generation of
adeno-associated virus 2vectors ：point mutations in tyrosines lead to high-efficiency transduction at lower doses ［J ］.Proc Natl Acad Sci USA ，2008，105（22）：7827-7832.
［15］BURNETT J R ，HOOPER A J ，ALIPOGENE T.An
adeno-associated virus encoding the Ser （447）X variant of the human lipoprotein lipase gene for the treatment of patients with lipoprotein lipase deficiency ［J ］.Current Opinion in Molecular Therapeutics ，2009，11（6）：681-691.［16］YLA-HERTTUALA S.Bumps in the road for commercial
gene therapy for rare diseases ［J ］.Mol Ther ，2017，25（10）：2225.————————
作者简介：谭靓（1995—），女，湖南衡阳人，研究生，研究方向为生物制药、基因治疗。

通讯作者：李泰明（1963—），女，江苏南京人，博士，副教授，研究方向为生物制药。

〔编辑：严丽琴〕
（上接第156页）
［6］FANG C ，WAN C H ，YUAN Z H ，et al.Scaling relation
between anomalous nerst and hall effect in ［Pt/Co ］n multilayers ［J ］.Physical Review B ，2016，93（5）：054420.
［7］WESTIN E ，UDAY S ，MAYA A D ，et al.SAW assisted
domain wall motion in Co/Pt multilayers ［J ］.Applied Physics Letters ，2018，112（5）：052402.
［8］丁贝，王文洪.磁性斯格明子的发现及研究现状［J ］.
物理，2018，47（1）：15-23.
［9］BUTSURIN J ，HIDEO S ，SHUNSUKE F ，et al.Scalability
and wide temperature range operation of spin-orbit torque switching devices using Co/Pt multilayer nanowires ［J ］.Applied Physics Letters ，2018，113（21）：212403.————————
作者简介：刘帅（1984—），男，研究方向为磁性薄膜材料。

〔编辑：严丽琴〕。