Spintronics-东南大学物理学院

STT诱导磁化反转所需要的临界电流
• 对于一个 CPP构型的 spin valve pillar (SPV) 结构，自由层的厚度的数 量级为 2nm, 临界电流密度为： 理论值: 实验值:
j 106 108 A / cm 2 j 107 109 A / cm 2
• 随着器件尺寸的减小，形状各向异性增加，因而由磁场来开关磁化强 度增加了困难。 CIM 将是一种自然的方式可以克服开关势垒。
STT诱导磁化反转所需要的临界电流
• H与磁性薄膜的易轴方向一致。可见随着H的增大，所需临界电流增 加。 • 这种临界电流与外加磁场的关系也是人们从实验现象中区别STT效应 诱导磁化反转（CIM）和局域磁场诱导磁化反转的重要手段之一。 • 要实现STT诱导磁化反转，第二个必须要满足的条件：外加电流必须 要垂直于磁性薄膜。对于MTJ结构，本身就满足这个要求；而对于 SPV而言，则必须是在电流垂直于平面构型(CPP)中才能观测到STT 效应。 • 需要满足的另一个条件是SPV或MTJ样品的尺寸必须小于100 纳米。 为什么？首先要知道目前的临界电流密度多大？
• 当电流较小时，即使它产生的STT能够克服磁阻尼矩，也只能使得磁 化M围绕易轴进行磁进动。 • 而当电流大于某一个临界值IC时，STT可以迫使M转过赤道位置，指 向相反方向，即引起磁化方向的翻转。 • STT诱导磁化反转效应需要满足的条件之一就是外加电流必须大于临 界电流IC。 • 基于宏自旋近似(Macro-spin approximation)，对于铁磁/铜/铁磁三层结 构，临界电流可以简单的由下面公式得出 ：
2e I C ( )( )m( H H k 2 M S )

源自文库
其中MS是自由层的饱和磁化强度；是磁矩进动的LLG方程中的阻尼系数；是 自旋电流的极化率，定义为=(I-I)/( I+I)；I和I分别代表主、次自旋极化电 流；m是自由层的总磁矩；H和Hk分别代表外加磁场和薄膜的各向异性场。
自旋转移力矩
非极化电流 自旋极化电流 自旋极化电流 改变了自旋方向
M1
M2 M2
钉扎层

非磁层 自由层


当外加电流穿过 SPV或MTJ的被钉扎层时，电流被极化为与被钉扎 层磁化一致的方向，即变为自旋极化电流。 极化电流穿过自由层时，它与自由层的磁矩之间产生角动量转换， 使得它对自由层的磁矩产生一个力矩， 迫使自由层的磁化方向向与被钉扎层磁化一致的方向转动，即使得 SPV或MTJ的磁化方向呈平行排列的趋势。
利用改变直接穿过SPV或MTJ的电流方向和大小，改 变磁化取向，形成高阻态和低阻态。
在临界电流处的自旋力 矩使两磁层磁矩平行和反 平行，R发生突变。 低场下两磁层磁矩反平 行，R达到最大。
LLG方程+自旋转移力矩
J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater., 159, L1 (1996)
自旋电子学系列讲座
（第4讲）
东南大学物理系 翟亚
什么是自旋角动量转移（STT ）效应?
H
H
hard soft
GMR & TMR: 磁化改变电流
能不能反过来呢?
自旋转移力矩：电流改变磁化！
自旋角动量转移效应 (简称STT效应)
• 当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜或金属磁性多层 膜中时，极化电流与多层膜中的散射会带来由极化电子到 铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移，从而对铁磁薄膜磁矩产 生自旋矩，引起铁磁薄膜磁矩的不平衡，使之发生转动， 进动甚至使磁化方向翻转。
当入射电流方向相反时？
• 电流首先通过自由层，它被自由层极化生成与自由层磁化方向一致的极 化电流。 • 这个极化电流通过被钉扎层时也会对其产生STT，但是由于被钉扎层的 磁矩方向较稳定，不容易改变。 • 而与此同时，极化电流中的次自旋电子，即与自由层磁化方向相反的自 旋电子，会被被钉扎层反射回自由层，从而对自由层的磁矩产生STT作 用。 • 结果使得自由层与被钉扎层的磁化呈反平行排列。

Co/Cu/Co三层膜纳米柱中的STT诱导磁化反转效应
Co/Cu/Co纳米柱的结构为Cu (80nm)/Co (40nm)/Cu (6nm)/Co (2.5nm) 。微 加工刻蚀深度控制在底层Co的中间，如图(a)所示。微加工后的纳米柱的 扫描电镜图片如图 (b)，可以看出纳米柱尺寸约为60130 nm2。
• 尺寸越小，越容易达到临界电流值。
Nanopillars
如果样品是一个直径为2r，厚度为t的园柱状：IC ∝ r2 ，STT所产生的
有效场Heff∝I/r2 。 对于局域环形磁场效应，根据麦克斯韦公式，H=2I /(cr) 随着样品半径r的减小，r2的减小速度明显更快。必然存在一个临界半 径值ac，当r<ac时，STT产生的有效场大于局域环形磁场， STT效应占据 主导地位。 Hk c 1 c 4e M st 2 M s
Theoretical prediction
• • Slonczewski, J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers. J. Magn. Magn. Mater. 159, L1±L7 (1996). Berger, L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current. Phys. Rev. B 54, 9353±9358 (1996).
a ( )( )(
)(
)
STT效应诱导磁化反转
• STT效应的理论研究开始于1996年。 • 第一次清晰地在最简单的Co/Cu/Co三层结构纳米柱中实验观测到 STT效应诱导磁化反转行为。 • 首次在具有钉扎层的ESPV中清晰地观测到STT诱导磁化反转行为。 • MTJ纳米柱中的STT诱导磁化反转效应。 • 临界电流的降低

自旋电流的横向分量被吸收 ，纵向分量成为该层的整个自旋
dM dM M M H eff M aJ (M M p ) dt Ms dt Ms
磁进动示意图
I<IC I>IC I>>IC
Courtesy of Jonathan Sun
STT诱导磁化反转所需要的临界电流