Nature Communications：纳米接触磁隧道结中自旋转移力矩驱动的高阶传播自旋波

发布日期：2019-12-08

    早期的磁隧道结依靠磁场实现磁化翻转，这种方式往往功耗较高，随着工艺尺寸减小, 写入电流将急剧增大, 难以在纳米级磁隧道结中推广应用。1996年, Slonczewski和Berger从理论上预测了一种被称为自旋转移矩（Spin Transfer Torque, STT）的纯电学的磁隧道结写入方式，克服了传统磁场写入的缺点，并且写入电流的大小可随工艺尺寸的缩小而减小。2000年前后, 自旋转移矩在实验上被用于实现金属多层膜的磁化翻转[1]。基于此效应，一种新型的微波振荡器被提出来，即自旋转移力矩纳米振荡器（STNO），利用自旋极化电流诱导纳米磁体磁矩翻转，从而实现了微波振荡。

    STNO的典型结构采用一个三明治结构“固定铁磁层FM/非磁性层NM/自由铁磁层FM”来实现，因为内部阻尼的作用，为了维持自振荡，需要106 - 108 A /cm2级的大电流密度，这可以通过在三层膜上使用纳米触点对电流实现空间压缩来实现，这也是小型化磁振子器件中有效的自旋波注入器。隧穿磁电阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高一个或多个数量级，为了实现高效的电子自旋波读出，磁振子器件还必须基于磁隧道结(MTJ)。

图1：a.普通纳米触点振荡器结构；b.宽边帽纳米触点振荡器结构；c.磁滞回线；d.磁电阻测试：内嵌图为自由层的铁磁共振频率和面内磁场关系。（图片来源： Nature Communications (2018) 9:4374）

    与顶部金属层相比，MTJ隧穿势垒的导电性相对较低，导致普通纳米触点的大横向电流分流（图1a）。为了使更多的电流通过MTJ，哥德堡大学物理系的J. Åkerman课题组采用了宽边帽结构纳米触点，当MTJ覆盖层从纳米触点向外延伸时，帽状帽层逐渐变薄，并使用一层1.5Ωm2低阻面积(RA)产品的MgO进一步促进隧穿势垒(图1b)。

图2：不同驱动电流下功率谱密度和磁场关系，a Idc= −5 mA, b Idc =−6 mA, c Idc= −7 mA, d Idc = −8 mA, e Idc = −9 mA, and f Idc =−10 mA.（图片来源： Nature Communications (2018) 9:4374）

    所得到的器件表现出与纳米触点STNO相关的典型自旋波模式，在不同驱动电流下观测到两个二阶和三阶传播自旋波模态（如图2），这两种模式的波长估计分别为120和74纳米，比150纳米触点小得多。该研究表明这些高阶传播的自旋波将使磁振子器件能够在的频率下工作，并大大增加它们的传输速率和自旋波传播长度。

    值得注意的是，该研究的铁磁共振测试使用了瑞典NanOsc公司的CryoFMR结合美国Montana公司的超精细多功能无液氦低温光学恒温器，可以提供0.7T以上，10K~350K的变温，以及2~40GHz的高精度铁磁共振测试（如图3），用户可以快速有效的获取阻尼系数α，以及有效磁矩 Meff，旋磁比γ，非均匀展宽ΔHo等动态磁学参数，也可以表征静态磁学性能，如饱和磁化强度Ms等。此外，NanOsc公司的FMR测试系统还可以搭配电磁铁、PPMS、VersaLab等平台进行常温或低温下的铁磁共振测试。

图3：CryoFMR+Montana恒温器

    NanOsc公司注重用户的使用体验，许多用户有反馈铁磁共振测试系统只能固定频率来进行磁场扫描，是否可以增加固定磁场来扫频率的功能。经过大半年的时间，NanOsc公司完成了设备的升级与测试，两种模式下的测试结果匹配度非常高（如图4，如需更多测试结果，请与我们联系）。未来正式发布的新的铁磁共振测试系统可以实现固定磁场扫频率的功能，原来已购买的系统可以进行付费升级。

图4 ：NanOsc铁磁共振测试10nm NiFe
左：固定频率扫磁场模式 右：固定磁场扫频率模式