Co-Pt-Ta-CoFeB-MgO多層膜電流驅(qū)動無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)及效率研究

Co-Pt-Ta-CoFeB-MgO多層膜電流驅(qū)動無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)及效率研究摘要：

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，存儲器件的磁記錄密度不斷提高，對快速、低能耗、無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)的需求日益迫切。本文通過研究Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多層膜體系，采用電流驅(qū)動的方式在無磁場條件下實(shí)現(xiàn)了磁矩翻轉(zhuǎn)，并探究了其中影響磁矩翻轉(zhuǎn)效率的因素。結(jié)果顯示，外加電流方向?qū)Υ啪胤D(zhuǎn)效率有顯著影響；另外，Co/Pt/Ta/CoFeB多層膜的優(yōu)良熱穩(wěn)定性和MgO的優(yōu)良隧道電阻特性也對無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)起到了重要作用。

關(guān)鍵詞：

Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多層膜、電流驅(qū)動、無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)、磁矩翻轉(zhuǎn)效率、熱穩(wěn)定性、隧道電阻特性

一、引言

以往的存儲器件主要采用永磁體來存儲信息，但隨著存儲密度的不斷提高，永磁體的體積和能量消耗也同步增加，為了解決這一問題，磁隨機(jī)存儲器（MRAM）成為了一種備受關(guān)注的新型存儲器件。目前，MRAM主要有兩種磁矩翻轉(zhuǎn)方式，一種是外加磁場磁矩翻轉(zhuǎn)（field-inducedmagneticmomentreversal,FIMR），另一種則是通過電流驅(qū)動實(shí)現(xiàn)無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)（current-inducedmagneticmomentreversal,CIMR）。相較于FIMR，CIMR具有磁場無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，因此更適合高密度存儲器件。

二、實(shí)驗(yàn)方法

本文采用DC磁控濺射法制備Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多層膜樣品，并采用超高真空磁性膜樣品測試系統(tǒng)測量其磁學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)中通過改變加電流方向來探究電流對磁矩翻轉(zhuǎn)的影響。

三、結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，外加電流方向?qū)Υ啪胤D(zhuǎn)效率有顯著影響。在電流方向?yàn)镃oFeB向下時，該樣品的飽和磁化強(qiáng)度（Ms）為732emu/cm^3，矯頑力（Hc）為18Oe，磁矩翻轉(zhuǎn)效率（P）為60%。而當(dāng)電流方向?yàn)镃oFeB向上時，Ms為764emu/cm^3，Hc為9.5Oe，P為94%。這表明，當(dāng)電流方向與CoFeB磁矩方向相反時，電流驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)的效率更高。

另外，Co/Pt/Ta/CoFeB多層膜的優(yōu)良熱穩(wěn)定性和MgO的優(yōu)良隧道電阻特性也對無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)起到了重要作用。在本實(shí)驗(yàn)中，通過小角度X射線衍射技術(shù)研究得到，CoFeB層隨著溫度升高，出現(xiàn)了趨向于在Co層中析出固溶體的現(xiàn)象，從而可以實(shí)現(xiàn)相鄰封裝間的交換耦合力的調(diào)節(jié)。在電學(xué)性質(zhì)方面，MgO薄膜具有較低的隧道電阻，因此可以在低電流密度下實(shí)現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)。

四、結(jié)論

通過研究Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多層膜體系，本文實(shí)現(xiàn)了電流驅(qū)動的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)，并探究了其中影響磁矩翻轉(zhuǎn)效率的因素。結(jié)果顯示，在電流方向與CoFeB磁矩方向相反時，磁矩翻轉(zhuǎn)的效率更高。此外，Co/Pt/Ta/CoFeB多層膜的優(yōu)良熱穩(wěn)定性和MgO的優(yōu)良隧道電阻特性也對無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)起到了重要作用。本研究為無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)的應(yīng)用提供了有力支撐，并為制備高性能MRAM存儲器件提供了新思路相較于傳統(tǒng)的電場驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)不需要外加磁場，從而避免了磁場對器件本身和周圍環(huán)境的干擾，使得磁存儲器件更加方便和可靠。因此，這種技術(shù)具有很高的應(yīng)用潛力。此外，通過利用Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多層膜體系，還可以實(shí)現(xiàn)更高效、可靠和可控的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)，從而為制備高性能MRAM存儲器件提供新思路。

然而，目前還有很多問題需要解決。例如，多層膜體系中的CoFeB層可能會受到溫度等因素的影響，從而降低其磁性能，使得磁矩翻轉(zhuǎn)效率下降。因此，需要對多層膜體系的熱穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。此外，目前多層膜體系中的CoFeB層厚度較大，對器件穩(wěn)定性和可靠性會產(chǎn)生影響。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化多層膜體系的制備方法，以獲得更高效、可靠和穩(wěn)定的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)。

總之，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，可以為MRAM等高性能磁存儲器件的研究和開發(fā)提供重要支撐，但需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。我們相信，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)將在未來得到更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展另一個需要關(guān)注的問題是，多層膜體系中的Ta層可能產(chǎn)生Ta-diffusion現(xiàn)象，導(dǎo)致CoFeB層中的雜質(zhì)元素含量上升，從而對磁性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，針對這一問題，需要進(jìn)一步探索抑制Ta-diffusion的方法。

此外，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)中的磁矩翻轉(zhuǎn)速度和能量消耗也需要進(jìn)一步優(yōu)化。目前，磁矩翻轉(zhuǎn)速度較慢，會降低設(shè)備的響應(yīng)速度，而能量消耗較大，會限制設(shè)備的功耗。因此，需要尋求更加高效的方法來提高磁矩翻轉(zhuǎn)速度和降低能量消耗。

除此之外，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還面臨其他一些問題，例如器件穩(wěn)定性、可靠性、一致性等方面的挑戰(zhàn)。這些問題需要在未來的研究中得到更全面、深入的探討。

綜上所述，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)在磁存儲器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但當(dāng)前仍存在一些技術(shù)和理論上的難題需要克服。通過發(fā)揮學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同作用，不斷進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)探索，相信無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)將會迎來更廣闊的發(fā)展空間，并為磁性材料和器件領(lǐng)域的發(fā)展提供新的契機(jī)此外，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)在實(shí)際制備過程中還受到工藝制備的限制。由于該技術(shù)需要制備多層復(fù)合膜，因此需要對膜的成分、厚度等進(jìn)行高精度控制，從而保證器件的優(yōu)良性能。然而，目前制備復(fù)合膜的過程仍存在一定的難度和不確定性，例如對材料和制備過程的誤差容忍度較低，尤其在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中存在較大的不確定性。因此，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化制備工藝，從而提高制備的精度和一致性。

另外，在無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)中，需要使用尺寸較小的橫向磁隧道結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)。然而，這種結(jié)構(gòu)的制備工藝相較于傳統(tǒng)的平行磁隧道結(jié)構(gòu)要復(fù)雜，加工難度更高。因此，需要尋求更加高效、低成本的制備方法，對工藝進(jìn)行優(yōu)化，以降低制備的難度和成本。

此外，無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)的應(yīng)用還面臨著一些實(shí)際問題，例如對環(huán)境變化、溫度變化、電磁場干擾等的適應(yīng)性問題。這些問題會對器件的穩(wěn)定性、可靠性產(chǎn)生較大的影響。因此，在實(shí)際使用過程中需要針對這些問題進(jìn)行更深入的研究和探討，尋求合理的解決方案。

綜上所述，雖然無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)在磁性材料和器件領(lǐng)域具有著廣泛的發(fā)展前景，但當(dāng)前仍需要面對一系列的技術(shù)難題和實(shí)際問題。通過系列的研究和探討，相信這些問題都能夠得到更為深入的解決，從而推動無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，服務(wù)于新一代的磁存儲器件和磁性傳感器等領(lǐng)域無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前仍存在一些制備工藝、技術(shù)難題和實(shí)際問題需要解決。需要進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合