在富含钴的软磁纳米晶带中，诱导出的磁各向异性具有极强的温度稳定性

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Extreme temperature stability of induced magnetic anisotropies in co-rich soft magnetic nanocrystalline ribbon

降低自旋轨道扭矩（SOT）器件开关功耗的策略，通过在钴镝（CoTb）薄膜中掺杂铂（Pt）和钽（Ta），研究磁场驱动下畴壁运动及SOT引发的磁化翻转。发现Pt掺杂显著降低临界电流密度Jc，其协同效应通过降低电阻和增强SOT实现能效优化，为高密度低功耗存储器件提供新途径。

　　

阿德南·汗（Adnan Khan）|曾光（Guang Zeng）|张一佩（Yi-pei Zhang）|卢莎（Sha Lu）|曹翠梅（Cui-mei Cao）|李若实（Ruo-shi Li）|陈世伟（Shi-wei Chen）|梁世恒（Shi-heng Liang）

中国湖北省武汉市湖北大学物理学院，邮编430062

摘要

基于自旋轨道耦合（SOC）效应的自旋轨道扭矩（SOT）自旋电子器件具有非易失性、可逆性、高速度和可扩展性等特性。降低SOT器件的开关功率损耗是一个关键的研究方向。为此，我们通过将重金属Pt和Ta掺入铁磁CoTb薄膜中，调控了垂直磁化的切换过程。我们研究了磁场驱动的畴壁运动以及SOT诱导的垂直磁化切换现象。研究结果表明，Ta或Pt的引入对CoTb的畴壁钉扎能力影响有限。值得注意的是，掺Ta的样品在SOT驱动的磁化切换过程中临界电流密度呈上升趋势，而掺Pt的样品则表现出显著的临界电流密度（Jc）降低。通过对三种样品类型开关功率损耗的进一步分析，我们找到了一种降低能耗并提高铁磁系统切换效率的方法。这项工作为推进基于SOT的器件发展提供了有前景的途径。

引言

电流驱动的SOT驱动畴壁运动和磁化切换是开发下一代超快、高密度、低能耗自旋电子器件的有效方法[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。为了提高实际应用中的SOT效率，人们提出了多种策略，包括在NM/FM双层结构和拓扑绝缘体材料（TIs）中使用重金属（Mo [8], Cr [9], Hf [10], Pd [11], β-Ta [12,13], β-W [14,15]）来产生SOT[[16], [17], [18], [19], [20]]。然而，能够产生强SOT的重金属通常具有较高的电阻率（ρxx）。根据电流分流模型，电阻率较高的自旋源层会迫使更多电流流经相邻的FM层，从而导致由于反应电流而产生的功率损耗增加[21]。因此，寻找一个功耗最小的自旋源/FM系统成为开发高效自旋电子器件的关键设计考虑因素。 铁磁金属由来自不同组分的反铁磁耦合磁矩组成[22]。通过调整这些组分的相对比例，其净磁化强度可以显著降低，甚至可以达到净角动量接近零的补偿点[[23], [24], [25], [26]]。铁磁系统中的稀土过渡金属（RE-TM）合金（如GdFeCo [27]和CoTb [28,29]）因其独特的体垂直磁各向异性（bulk PMA）而受到广泛研究[30,31]。研究表明，RE-TM合金表现出超快的畴壁运动[32,33]，并在其磁补偿点附近实现最大的SOT驱动磁化切换效率，此时净磁化强度接近零[28,34]。铁磁体中减小的杂散场也为高密度信息存储提供了有利条件。为了进一步降低铁磁CoTb系统中垂直磁化切换的能耗，我们采用了重金属掺杂策略。通过畴壁钉扎能力和电输运测量系统地研究了掺杂剂对CoTb的影响。 在这项工作中，我们制备了[Co??Tb??]??Pt?(7)/Pt(3)/Si?N?(3)异质结构和[Co??Tb??]??Ta?(7)/Pt(3)/Si?N?(3)异质结构（括号中的数字表示厚度，下标表示基于生长速率计算出的名义成分，实际成分可能略有偏差）。磁光克尔显微镜（MOKE）分析表明，重金属掺杂（Ta或Pt）对CoTb的畴壁钉扎能力影响很小。关键的是，电流驱动的SOT切换测试显示，掺Pt的CoTb表现出显著较低的临界切换电流密度（Jc），这归因于电阻降低（提高了电流密度）和重金属掺杂在CoTb中产生的SOT的协同效应。这些发现为开发基于铁磁体的超低功耗存储和逻辑器件提供了可行的策略。

结果与讨论

[Co??Tb??]??Pt?(7?nm)/Pt(3?nm)/Si?N?(3?nm)和[Co??Tb??]??Ta?(7?nm)/Pt(3?nm)/Si?N?(3?nm)多层薄膜（厚度以纳米为单位，见图1a）是在室温下使用AJA-ATC磁控溅射系统在低于1?×?10^?7?Torr的基压下沉积在氧化硅基底上的。Pt和Ta掺杂的CoTb合金层是在3 mTorr的Ar气氛中通过三靶共溅射制备的。Co:Tb的原子比为83:17。

结论

在这项工作中，我们对掺Pt和掺Ta的CoTb垂直系统进行了系统的研究。结果表明，掺Pt的CoTb的临界切换电流密度明显低于未掺杂样品。通过详细分析，我们排除了传统机制，如掺杂引起的钉扎能力变化或电阻率依赖的电流分流。相反，我们认为Pt或Ta的掺杂在CoTb内部产生了内在的自旋轨道扭矩。

CRediT作者贡献声明

阿德南·汗（Adnan Khan）：撰写初稿，数据管理。 曾光（Guang Zeng）：撰写初稿，数据可视化，实验设计，数据分析。 张一佩（Yi-pei Zhang）：撰写初稿，数据可视化，方法论设计。 卢莎（Sha Lu）：撰写与编辑，数据可视化，实验监督，方法论设计。 曹翠梅（Cui-mei Cao）：撰写初稿，软件开发，方法论设计，数据分析。 李若实（Ruo-shi Li）：方法论设计，数据分析。 陈世伟（Shi-wei Chen）：撰写与...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：12274119、12404131、52401301）、汉江国家实验室开放基金项目（项目编号：KF2024024）、湖北省自然科学基金（项目编号：2022CFA088）、武汉市自然科学基金（项目编号：2024040701010049、2024040801020305）以及中国博士后科学基金（证书编号：2024M750982）的支持。