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CN115803812A - 通过界面设计提高手性畴壁的电流感应运动的效率 - Google Patents

通过界面设计提高手性畴壁的电流感应运动的效率 Download PDF

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CN115803812A
CN115803812A CN202180045012.4A CN202180045012A CN115803812A CN 115803812 A CN115803812 A CN 115803812A CN 202180045012 A CN202180045012 A CN 202180045012A CN 115803812 A CN115803812 A CN 115803812A
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ferromagnetic
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saf
thickness
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CN202180045012.4A
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管一澄
T·马
R·布莱辛
S·S·P·帕金
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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Abstract

本发明涉及磁畴壁替代式存储器单元(赛道存储器器件)，在基础赛道器件结构的铁磁(FM)结构或合成反铁磁(SAF)结构的铁磁/重金属界面处包含4d或5d金属粉化层(DL)。

Description

通过界面设计提高手性畴壁的电流感应运动的效率
技术领域
本发明涉及存储器储存系统，并特别涉及使用电流来移动磁赛道(racetrack)中磁畴壁的存储器储存系统。
背景技术
赛道存储器器件作为高密度储存器件不断获得关注。这些器件公开于例如US-B6,834,005。已经开发了包括垂直纳米线存储元件的更先进的赛道存储器单元，如例如US-A2014/204648中所公开的。
特别地，基于垂直磁化的铁磁体/重金属薄膜系统中的手性畴壁(DW)磁比特(magnetic bits)的赛道器件是用于下一代自旋电子存储器的有前途的候选物(US-A2014/0009994、US-A 2014/0009993)。在纳米赛道中，这些电流可具体地用于操作在磁性自旋织构(畴、斯格明子或反斯格明子)内编码的磁比特。
由于体积自旋-转移矩(STT)和自旋-轨道矩(SOT)机制的进步，电流感应畴壁运动(CIDWM)已经从面内磁性显著发展为合成反铁磁(SAF)赛道。在铁磁体/重金属(HM)界面处存在破坏的反对称性的情况下，由自旋-轨道耦合产生的手性自旋矩驱动，在铁磁体/HM界面处由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)稳定的具有强垂直磁各向异性(PMA)的薄膜中的Néel畴壁可沿着电流方向以高速在直线和曲线赛道中移动(例如EP3171364A1)。这样的磁比特通过自旋电流沿2D或3D赛道的快速和能量有效运动是其商业实施的关键挑战。
在合成反铁磁体(SAF)赛道中报告了甚至更有效的DW运动，所述赛道由两个垂直磁化的铁磁性子赛道组成，所述子赛道跨超薄钌层反铁磁耦合。SAF结构中巨大的交换耦合扭矩(ECT)提供额外的主要驱动机制，其允许DW传播速度提高超过～1,000m/s。稀土-过渡金属合金中的ECT在亚铁磁合金的角动量补偿温度下进一步最大化。最近，在某些磁绝缘体中也发现了有效的CIDWM。
例如，通过改变与界面铁磁层接触的HM层或通过调整铁磁层的厚度，相对于CIDWM的基本机制，关于界面导出的手性自旋矩和磁手性的详细理解已经取得了显著进步。
发明目的
然而，对于商业可行的快速和低功率赛道存储器器件而言，畴壁速度仍太低并且阈值电流密度仍太高。因此，本发明目的是提供更有效的电流感应畴壁运动。
发明内容
本发明显著减小阈值电流密度并大幅提高畴壁运动的效率，这是通过在铁磁性/重金属(HM)界面处引入原子薄的4d或5d(优选4d)金属“粉化(dusting)”层(DL)实现的。在另外优选的实施方案中，在HM/铁磁界面处引入Pd和Rh的亚原子层厚度粉化层，更优选仅一个单层(monolayer)厚度的粉化层，这在给定电流密度下提高畴壁的速度至多3.5倍。与没有任何DL而其它相同的结构相比，对于相同的注入电流密度，Néel DW移动得快三倍以上。此外，通过包括原子薄的DL显著减小阈值电流密度Jth，其定义为克服有效钉扎场并移动DW所需的最小电流密度。
不希望受这一理论束缚，据认为此改进归因于定制的自旋-轨道参数即来源于自旋-轨道耦合效应的参数的微妙相互作用；具体地，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和单轴磁各向异性。本发明显示了显著的界面修饰如何允许具有提高的手性畴壁运动效率的定制赛道，并且它直接证明了Dyzaloshinskii-Moriya相互作用与单轴各向异性的紧密的内部相关性。
附图简要描述
图1显示了具有界面粉化层的所设计的FM和SAF赛道存储器结构。
a具有在重金属(Pt)和铁磁金属(Co)层之间插入的粉化层(DL)的FM(上方子图)和SAF(下方子图)赛道结构的示意表示。
b上方子图：FM/DL/HM结构的原子堆叠沿着fcc(111)方向的示意说明；下方子图：FM/DL/HM堆叠中使用的颜色编码元素；橙色、绿色和浅蓝色分别对应于FM、DL和HM。每个元素方块的右上位置的数分别对应于(从上至下)：自旋-轨道耦合常数、自旋扩散长度和Stoner判据参数。左下位置的数是对应的fcc(111)单元的面内晶格常数。
c典型赛道的扫描电子显微图。
d横截面HRTEM图像。
e具有0.1nm厚的Pd粉化层的FM膜的对应EDX分布图，其中强调了原子薄的Pd层的存在。
图2显示了FM和SAF结构中界面DL设计的手性畴壁运动。
a-f在具有各种DL材料的FM(左子图)和SAF(右子图)结构中电流感应DW运动：Pd(a和b，橙色背景)，Rh(c和d，紫色背景)和Ir(e和f，蓝色背景)。(a)和(b)中的插图说明了响应于在具有0.1nm Pd DL的FM和SAF样品中分别由十二个(a)和四个(b)10ns脉冲组成的一系列注入电流脉冲(～1.0×108A/cm2)的畴壁运动的典型Kerr图像，其确认了在电流注入的方向上所有DW移动。图像对比度的差异来源于FM和SAF样品中磁化差异。浅色和深色部分对应于向下(
Figure BDA0004013545580000031
或↓)和向上(⊙或↑)畴。插入的粉化层的厚度变化：0nm(深蓝色方块)、0.1nm(红色圆)、0.2nm(橙色菱形)、0.3nm(浅蓝色三角)、0.4nm(橄榄绿三角)、0.5nm(紫色三角)和0.7nm(淡紫色三角)。
图3显示了DW速度(v)和阈值电流密度(Jth)的DL厚度依赖性。
a和b显示具有各种DL厚度(tDL)的FM和SAF样品中固定电流密度(～1.2×108A/cm2)下DW速度。虚线代表参比样品的速度和畴壁的稳态。右轴是相对于参比样品归一化的DW速度(vnor)。
c和d是作为FM和SAF样品中不同DL厚度函数的阈值电流密度(Jth)。虚线代表参比样品的阈值电流密度。右轴代表相对于参比样品归一化的阈值电流密度(Jth_nor)。着色区域说明界面DL厚度的范围，其中CIDWM的效率最大化。Pd、Rh和Ir DL分别对应于橙色方块、紫色圆和浅蓝色菱形。
图4显示DW速度对粉化层的纵向磁场依赖性。
a-f在FM(左子图)和SAF(右子图)结构中固定电流密度(～1.2×108A/cm2)下DW速度的纵向场依赖性(v-Hx)。空心和填充的符号分别代表↑↓和↓↑畴结构。显示了具有0.1nm(a和b)、0.2nm(c和d)、0.3nm(e和f)和0.5nm(g和h)的DL厚度的样品。参比样品和具有Pd、Rh和Ir DL的那些分别由深蓝色三角、橙色方块、紫色圆和浅蓝色菱形代表。
图5显示了界面粉化层设计的磁性质。
a FM结构中有效单轴各向异性常数的DL厚度依赖性
Figure BDA0004013545580000041
b SAF结构中vlg。
c由FM情况计算的DMI常数D。
d作为
Figure BDA0004013545580000042
函数绘制的所有样品的DMI常数D，其中虚线分别是4d元素DL情况(Pd和Rh，绿色)和5d元素DL情况(Ir和Pt，红色)的线性拟合。参比样品和具有Pd、Rh和Ir DL的那些分别由深蓝色三角、橙色方块、紫色圆和浅蓝色菱形代表。
具体实施方案
根据本发明的赛道器件的基础结构基于铁磁(FM)结构或合成反铁磁(SAF)结构。
铁磁结构包含一个或多个，优选两个或三个铁磁材料层。如果铁磁结构包含多于一个层，优选两个相邻层是不同的。铁磁层由选自以下一个或多个的铁磁材料制成：
-Fe、Co、Ni或Mn，或
-Fe和/或Co的合金，或
-Ni的合金，其还可包括Fe和Co中一种或多种，或
-Mn的合金，其还可任选包括Fe、Co或Ni中一种或多种，或
-包括Ir、Al、Si或Ge中至少一种和Fe的化合物，和
-包括Mn和Si的化合物。
通常，铁磁结构可具有的总厚度在0.5至1.5nm、优选0.75nm至1.3nm、更优选0.9nm至1.2nm的范围内。铁磁结构的每一单层可-彼此独立地-具有在0.1nm至1.5nm、优选0.12nm至1.0nm、更优选0.14nm至0.8nm范围内的厚度。
铁磁结构的(一个或多个)铁磁层优选夹在HM层和耦合层之间。
HM层包括Pt、Ir、W、Ta或Ru中至少一种。HM层可有利地具有在0.8nm-2.0nm之间、优选1.0nm至1.8nm、更优选1.2nm至1.7nm的厚度。
耦合层包括Ru、W、Ta或Ir中至少一种。耦合层可有利地具有在0.4nm-1.5nm之间、优选0.6nm至1.0nm、更优选0.7nm至0.9nm的厚度。
合成反铁磁结构可包含经由耦合层而反铁磁耦合的两个铁磁层。在优选实施方案中，将FM/耦合层/FM夹层沉积在HM层上。铁磁层、耦合层和HM层如以上描述。优选地，耦合层包含Ru或Ir。
根据本发明，FM和/或SAF赛道存储器结构包含界面粉化层。该粉化层由4d或5d金属，优选4d金属和最优选具有优选大于5nm的长自旋-扩散长度的金属制成。还优选的是，金属表现出fcc结构。最优选是Pd和Rh，而Ir和Ru是较不优选的。
粉化层优选位于HM/FM界面处，即粉化层优选夹在HM和FM层之间。
粉化层的厚度优选在0.1至1.5nm、更优选0.1至1.0nm和最优选0.2至0.7nm的范围内。这意味着粉化层可具有在亚原子层厚度范围内的尺寸，其定义为在所选DL材料的晶格常数内或甚至以下。在一些实施方案中，粉化层的厚度在约DL材料的原子直径的范围内，即在约0.2nm的范围内；该厚度被称作“一个单层”。“亚原子层”厚度以及“一个单层”厚度是由溅射沉积速率估计的等价厚度。
可例如通过磁控溅射，优选在室温下在硅晶片上沉积赛道器件的单层(包括粉化层)，所述硅晶片优选热氧化使得它们覆盖有SiO2层(～30nm)。所述层优选夹在都具有高电阻率的底部TaN层(～2nm)和覆盖TaN层(～5nm)之间。可例如通过石英晶体微天平和X-射线反射来校准这些材料的沉积参数。可通过溅射的材料/平方单位(例如nm2)的量(克-原子)来确定和控制层厚度。可使用光刻法和氩离子研磨来制造赛道纳米线。可在赛道纳米线中通过注入电流脉冲在存在外部纵向磁场的情况下产生畴壁(DW)。
应用
本发明可应用于许多不同技术领域，例如自旋电子学，包括但不限于：磁随机访问存储器；磁记录硬盘驱动器；磁逻辑器件；使用磁储存信息的安全卡；半导体器件，其中由畴壁弥散场提供的大磁场可用于局部改变半导体或半导体异质结构的电子性质；介观器件，其足够小使得其中的电子能级可实质上受施加局部磁场影响；等...
发明优势
在具有均匀膜堆叠体的理想赛道模型中，不存在CIDWM阈值电流。然而，实际上，不得不施加Jth阈值电流以便通过跨越能垒的热辅助激励来退钉扎(depin)DW，所述能垒阻碍DW在引线中自由移动。一旦引入某些DL，该势垒降低，如单轴各向异性能Ku和矫顽场HC的降低所示：因此观察到Jth降低。然而，当DL进一步增厚时，θSH不可避免的降低产生Jth随后提高。重要的是注意到：对于SAF情况，Jth良好对应于对应的FM情况，这表明LM层在决定Jth中的优势作用。
为了可以应用基于CIDWM的赛道存储器器件，经常需要低的Jth和高的DW速度。对于FM情况，
Figure BDA0004013545580000071
对D(＝Dzyalonshinskii-Moriya相互作用系数)的线性变化意味着一旦实现较小的Jth，饱和速度(vD＝γD/Ms)也较小。然而，在SAF情况下，因为DW主要由ECT驱动，所以当两个亚层彼此相同时，最大速度主要由交换耦合常数
Figure BDA0004013545580000072
Figure BDA0004013545580000073
决定。因此，可通过简单地降低如由V1g的DL厚度依赖表示的
Figure BDA0004013545580000074
在SAF结构的ECT-驱动的DWM中实现低的Jth和高的速度，如图5d中所示。当Pd和Rh DL插入系统中时，由于它们相对长的自旋扩散长度，总θSH得到良好保持，参见图1b。因此，v1g的显著增强主要来自由于
Figure BDA0004013545580000075
降低所致的DW宽度提高。然而，对于Ir情况，正像在FM情况下，快速降低的θSH可不再提供对于DWM足够的SOT。因此，观察到具有平稳降低趋势的v1g。
总之，本发明提供新的方法来显著降低磁赛道中退钉扎和移动手性畴壁所需的电流。该方法涉及在临界界面处(优选在形成单个铁磁或合成反铁磁赛道的磁性多层中的FM/HM界面处)插入原子薄的4d或5d-元素粉化层，优选由具有fcc结构的4d-元素制成的粉化层。对于4d和5d元素插入层，发现了在由铁磁赛道表现的垂直磁各向异性和产生畴壁手性的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用之间清楚的线性相关性。这些发现通过界面自旋-轨道耦合的受控操作来实现。
通过以下实施例说明本发明。
实施例
原子薄的粉化层
如图1a中所示，两组结构是通过DC磁控溅射在室温下制备的：由夹在Pt(1.5nm)HM层和Ru(0.85nm)耦合层之间的Co(0.3nm)/Ni(0.7nm)/Co(0.15nm)组成的铁磁结构，下文称作FM结构；和沉积在相同的Pt(1.5nm)HM层上并由通过Ru(0.85nm)耦合层反铁磁交换耦合的Co(0.5nm)/Ni(0.7nm)/Co(0.15nm)的上铁磁层和Co(0.3nm)/Ni(0.7nm)/Co(0.15nm)的下铁磁层组成的合成反铁磁结构，下文中称作SAF结构。在沉积铁磁材料之前，在两种结构中将一系列具有从0.1至0.7nm变化厚度的Pd、Ir、Rh和Ru的原子薄层(下文中称作粉化层DL)直接插在Pt HM层上。在图1a中显示了FM和SAF结构的示意图像，具有在图1b中说明的元素粉化层。在典型的赛道中研究CIDWM，所述赛道为3μm宽和50μm长，通过光刻法和Ar离子研磨制造(图1c)。使用Kerr显微法检测响应于固定长度(～10ns)的电压脉冲的单个DW在这些纳米线中的运动。记录在脉冲注入前后纳米线中DW位置，并由此用于测定沿着赛道的DW速度。
在图1d中显示了具有0.1nm钯粉化层的FM结构的横截面高分辨率透射电子显微法(HRTEM)图像。该图像呈现出面心立方(fcc)薄膜结构沿着平面外方向的高度(111)取向结构。通过原子力显微法成像确认非常光滑的膜表面。图1e中层状结构的高角度环形暗场扫描TEM(HAADF-STEM)图像和相关的能量色散X-射线光谱法(EDX)分布图直接揭示了在Pt层和Co/Ni/Co层之间的预期位置处的Pd粉化层，即使插入的Pd DL仅为0.1nm厚。
电流感应手性DW运动
不论DL参数，手性自旋矩沿着注入电流的方向驱动DW。在敏感地依赖于DL材料和厚度的FM和SAF结构中观察到明显的CIDWM行为。在Pd DL情况下，发现了观察DW运动所需的阈值电流密度Jth在具有薄至仅0.1nm的Pd DL的FM结构中显著降低(图2a)，和DW速度在所考虑的电流密度的整个范围中提高。可施加至赛道的最大电流密度受多个磁畴的形成限制，认为其归因于如之前在相当电阻率的纳米线中已观察到的纳米线的温度提高。随着Pd层厚度提高，最大电流密度与CIDWM性能的退化一起降低。相比之下，对于SAF结构，图2b显示出Pd DL的引入对于所考虑的所有DL厚度改进了CIDWM的效率，与没有任何DL的SAF结构(参比SAF)比较,对于其它相同的电流密度而言具有显著更高的DW速度。对于～0.2nm厚的具有至多～1000m/s的DW速度的Pd DL厚度而言，DW运动的效率得到最大化，如图2b中所示。与具有相同结构而没有Pd DL相比，在相同电流密度下该速度为至多3.5倍高。
具有Rh粉化层的赛道与Pd DL行为类似。对于FM情况，用于增强CIDWM的DL厚度范围延伸直至0.4nm并具有实质上减小的Jth(图2c)。0.7nm Rh DL的PMA太弱以致不允许CIDWM测量。对于图2d中所示的SAF情况，对于0.1和0.2nm厚的Rh DL，CIDWM得到增强。然而，对于较厚的Rh层(>0.3nm)，随着提高的电流密度，DW速度反而下降。虽然在不可成功地检测DW运动的FM情况下PMA在0.7nm非常弱，作为交换耦合结果仍可在SAF情况下产生稳定的单DW，但是在随机DW的热成核发生之前不可观察到相当大的CIDWM。
当使用Ir DL时，观察到显著不同的行为。在FM情况下，如图2e中说明，当Ir层为0.1nm厚时Jth下降，但然后随着Ir厚度的进一步提高而几乎线性提高。对于0.1nm Ir而言，在低电流密度下仅观察到CIDWM速度的非常轻微的增强，但CIDWM比参比FM样品慢。对于SAF结构，一插入Ir DL就发生CIDWM的系统恶化(参见图2f)。然而，值的注意的是，对于具有至多0.5nm厚度的Ir层，Jth平稳下降，但对于较厚的层剧烈提高。
为了直接比较不同的粉化层对CIDWM性能的影响，在图3a-3d中对于FM和SAF结构绘制在～1.2×108A/cm2的电流密度下阈值电流密度Jth和DW速度作为DL厚度tDL函数的图。DL的剧烈作用容易看到并对于Pd和Rh DL最显著。在这些情况下，CIDWM效率对于小的tDL显著提高，分别在～0.2和～0.1nm达到最大。然而，对于Ir粉化层，仅对于0.1nm情况CIDWM效率稍微提高，并然后单调降低直至随着tDL提高而零传播(图3a和3b)。
为了区分CIDWM与甚至在微小电流密度下发生的DW蠕变，阈值电流密度Jth定义为这样的电流密度：比它高时手性DW速度超过5m/s。通常，除了Ir情况，对于具有DL的赛道发现Jth降低。值得注意的是，在粉化层的相邻fcc(111)面之间的间隔为～0.22nm，这对应于图3中着色区域的中间。因此，可做出似乎合理(plausible)的争论点，即通过插入一个单层厚的4d金属(Pd和Rh)DL，使手性DW运动的效率最大。具体地，最有前途的情况是具有0.2nm厚的Pd DL层的SAF结构：在1.2×1012A/m2的典型电流密度下观察到与参比样品相比Jth大幅降低～70％和CIDWM速度提高～350％，表现出至多～1000m/s的非常快的DW速度。
DW速度的磁场依赖性
CIDWM来源于手性自旋矩，其中DW的手性在FM和SAF结构中通过由具有强的自旋-轨道耦合的HM层产生的界面DMI稳定。DW速度因此敏感地依赖于沿着赛道施加的磁场：外部纵向磁场Hx加上或减去DMI有效场(该场稳定手性DW)。测得DW速度为纵向磁场的函数。为了简化，在图4中显示了正电流下具有↓↑和↑↓畴结构的DW移动，其中呈现了并入具有0.1、0.2、0.3和0.5nm厚度的Pd、Rh和Ir DL的赛道。显示了在固定的电流密度(1.2×108A/cm2)下的数据。在零外部场下，↓↑和↑↓DW在与FM和SAF两种结构的注入电流的方向相同的方向上移动,这与SOT和ECT一致。对于图4a-4d中呈现的FM结构，DW速度显示了对Hx的线性依赖性，这是如对于这种参比结构之前观察的典型行为。斜率随着DL的材料和厚度变化，并且对于↓↑和↑↓DW符号反向，即v(↓↑,Hx,J)＝v(↓↑,-Hx,J)。可在1-D DW分析模型内容易地理解这种行为。这样的行为具有两个关键特性：v-Hx曲线的斜率和DW速度变为零的Hx幅度。因此，可通过拟合v-Hx曲线，估算了不可直接测量的磁性质，尤其是界面DMI强度D。
对于SAF情况，观察到v-Hx曲线的明显分布，具有DW手性对DW速度的对称效应使得v(↓↑,Hx,J)＝v(↑↓,-Hx,J)。SAF结构中耦合的Néel DW在存在外部场的情况下经历更复杂的响应。几种磁性性质有助于响应曲线的详细形状。使用1-D模型来再现实验结果并提取这些参数。图4b、4d、4f和4h显示了DW速度与随着插入的Pd和Rh DL的厚度而提高的外部场的变化。然而，DW速度对Ir DL的厚度较不敏感，这应与Ir中相对弱的自旋霍尔效应相关。明显地，随着Ir DL的厚度提高超过0.5nm(图4h)，对应的v-Hx曲线是较细的Ir DL的曲线的镜像分布。我们将DW速度的这种相反的依赖性归因于与Co/Pt界面相比，在Co/Ir界面处的界面DMI的所报告的相反符号。
磁性质
为了理解CIDWM对粉化层材料和厚度的依赖性，测量了SAF结构中的磁性质，包括饱和磁化Ms、有效垂直磁各向异性常数
Figure BDA0004013545580000111
(定义为
Figure BDA0004013545580000112
其中K是垂直磁各向异性和
Figure BDA0004013545580000113
是难磁化轴各向异性场)、界面DMI常数D和剩余磁化(～0T时磁化)与饱和磁化(磁化场～1.5T)之比(Mr/Ms)。在图5a-5c和5e中绘制这些参数的粉化层厚度依赖性。可在所有情况下随着提高DL的厚度观察到
Figure BDA0004013545580000114
的连贯下降(图5c)。Ms显示了随着Pd插入层厚度而没有系统改变，而在图5a中观察到Ir和Rh DL情况的单调下降。如公知的，重金属中邻近感应的磁矩(PIM)很大程度归因于FM/HM体系的总Ms。基于Stoner判据(图1b)，当Ir和Rh层插入Co和Pt层之间时，如果PIM降低则不会令人惊讶。在另一方面，我们提出在Pd粉化层自身中可存在大量PIM，因为Pd非常接近磁性的Stoner判据。
在图5b中显示了Mr/Ms对tDL的依赖性。Mr/Ms比率随着DL插入的改变主要由于SAF结构的下子层中Ms的变化，如可在图5a中关于FM情况看到的。之前显示了SAF样品中的CIDWM很大来源于得到提高的巨大ECT，两个子层的矩量越相似，即Mr/Ms＝0。注意，优化了没有任何DL的参比SAF样品，使得Mr/Ms接近零。如以上讨论，CIDWM的效率随着某些DL而提高，即使这引起Mr/Ms偏离零。因此，通过对赛道结构的小修改，当Mr/Ms变为零时，DL设计的赛道中甚至更快的CIDWM是有希望的。
借助于外部纵向场，达到SAF结构中最快的DW速度vlg，如图4中所示。在图5d中绘制vlg的DL厚度依赖性。对于Pd和Rh粉化层，vlg快速提高并然后当DL变厚时而饱和。然而，对于Ir DL，当DL厚度提高时，vlg保持几乎恒定，逐渐降低。这些结果表明，这里使用的DL可相对于它们对Hx，或由此对DMI场的响应分为两组。
在FM结构中，随着提高DL厚度，观察到DMI参数D的单调下降，除了对于Rh～0.1nm情况稍微提高(图5e)。值得注意的是，随着Ir DL厚度提高，存在D的明显符号改变。
制造方法和测量方法
样品制备和DW速度测量
在室温下在覆盖有SiO2(热氧化的Si)层(～30nm)的Si晶片上通过磁控溅射沉积样品。所有这些样品夹在都具有高电阻率的覆盖TaN层(～5nm)和底部TaN层(～2nm)之间。通过石英晶体微天平和X-射线反射来校准这些材料的沉积参数。使用光刻法和氩离子研磨来制造50μm×3μm赛道纳米线。所有注入电流脉冲固定为～10ns的持续时间。由Kerr显微法测量确定DW速度。通过在存在外部纵向磁场的情况下注入电流脉冲在赛道纳米线中产生DW。
TEM试样制备和研究
通过常规的制备方法来形成横截面TEM试样。首先，从两侧机械抛光横截面。然后，在Gatan PIPS(精密离子抛光系统)系统(Gatan，USA，Pleasanton)中，从一侧将它们进行凹陷打磨，并通过在5kV下用Ar离子从另一侧抛光而减薄至电子透明。对于HR-TEM/STEM研究，在300kV的加速电压下使用具有探针校正器的FEI TITAN 80-300电子显微镜(FEI，USA，Hillsboro)。为了更快和更好的X-射线收集效率，使用安装显微镜上的Super-X检测器系统(4个对称地放置在物镜内部样品区域周围的硅漂移检测器(Oxford，UK，Abingdon))进行EDX实验。通过Bruker Esprit软件(Bruker，USA，Billerica)分析和处理获得的EDX分布图。
DMI常数D的磁性质测量和计算
在超导量子干扰器件(SQUID)中在室温下测量样品的磁化。
Figure BDA0004013545580000121
使用振动样品磁力计测量方法测量，其中使用沿着膜的难磁化轴的磁场记录磁化。
Figure BDA0004013545580000131
定义为总磁化从平面外旋转至平面内的场。在平面外M-H曲线中，分别以0Oe和15kOe的场测定SAF样品的Mr和Ms。根据1-D模型，在v-Hx曲线的线性拟合中DW速度下降至0的场处提取FM结构的HDMI。DW宽度由
Figure BDA0004013545580000132
与A(设定为常数1.0μerg/cm的交换刚度)计算。在FM结构中，当外部纵向场补偿内部DMI有效场(HDMI)时，不再维持由DMI稳定的Née1壁结构。这导致最小化的SOT和因此固定的DW。DMI常数D由表达式D＝μ0MsΔHDMI计算。
在稳定运动条件从1-D分析模型推导V1g
从基于描述SAF系统的DWM的DW矩的1-D分析模型，DW速度
Figure BDA0004013545580000139
可改写为以下形式，其中稳态解作为固定DW矩：
Figure BDA0004013545580000133
Figure BDA0004013545580000134
Figure BDA0004013545580000135
其中αi是每个亚层的阻尼参数，其中i对应于L(下)或U(上)层；Mi是磁化；βi是非绝热常数；ui是STT-相关(自旋-转移矩)DW速度；γ是旋磁比；Δ是DW宽度；
Figure BDA0004013545580000136
是有利于B1och壁的面内形状各向异性场；
Figure BDA0004013545580000137
是净纵向场，包括施加的Hx和DMI有效场；ψi是在每个层中DW的内磁化方向和x轴之间的角；
Figure BDA0004013545580000138
是每个层中的自旋霍尔有效场；Jex是内层交换耦合常数。
当向系统施加外部纵向场时，如由第一等式表示，速度总会在SOT最大化为ψL＝0或π的场中达到峰值，因为下层比上层经历更大的SOT。如果通过采用条件ψL＝0或π，简单假设为ML＝MU＝M并忽略STT-相关项，则以上方程组可改写为以下形式：
Figure BDA0004013545580000141
Figure BDA0004013545580000142
Figure BDA0004013545580000143
对于Pd和Rh情况，因为这些材料中长的自旋-扩散长度，可预期从Pt底层产生的SOT在穿过DL时没有衰减太多，所以vlg与DW宽度直接成比例，并因此随着提高厚度显示出DW宽度的类似饱和行为。对于Ir情况，SOT随着提高DL厚度而大幅降低，连通轻微改变的DW宽度。因此，随着变化的DL厚度，vlg具有小的变化。

Claims (16)

1.磁畴壁替代式存储器单元(赛道存储器器件)，在基础赛道器件结构的铁磁(FM)结构或合成反铁磁(SAF)结构的铁磁/重金属界面处包含4d或5d金属粉化层(DL)。
2.根据权利要求1所述的存储器单元，其中粉化层具有在0.1至1.5nm、更优选0.1至1.0nm和最优选0.2至0.7nm范围内的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的存储器单元，其中粉化层包含4d金属。
4.根据权利要求1、2或3所述的存储器单元，其中金属表现出fcc结构。
5.根据权利要求1至4中一项所述的存储器单元，其中金属是Pd或Rh。
6.根据权利要求1至5中一项所述的存储器单元，其中铁磁(FM)结构包含
o一个或多个铁磁(FM)材料的层
o重金属(HM)层和
o耦合层。
7.根据权利要求1至5中一项所述的存储器单元，其中合成反铁磁(SAF)结构包含经由耦合层而反铁磁耦合的两个铁磁(FM)材料层，因此形成沉积在HM层上的FM/耦合层/FM夹层。
8.根据权利要求6或7所述的存储器单元，其中铁磁(FM)材料选自以下：
o Fe、Co、Ni或Mn，或
o Fe和/或Co的合金，或
o Ni的合金，其还可包括Fe和Co中一种或多种，或
o Mn的合金，其还可任选包括Fe、Co或Ni中一种或多种，或
o包括Ir、Al、Si或Ge中至少一种和Fe的化合物，和
o包括Mn和Si的化合物。
9.根据权利要求6或8所述的存储器单元，其中一个或多个铁磁材料的层夹在HM层和耦合层之间。
10.根据权利要求6至9中一项所述的存储器单元，其中HM层包括Pt、Ir、W、Ta或Ru中至少一种。
11.根据权利要求6至10中一项所述的存储器单元，其中HM层具有0.8nm至2.0nm、优选1.0nm至1.8nm、更优选1.2nm至1.7nm的厚度。
12.根据权利要求6至11中一项所述的存储器单元，其中耦合层包括Ru、W、Ta或Ir中至少一种，优选Ru或Ir。
13.根据权利要求6至12中一项所述的存储器单元，其中耦合层具有0.4nm至1.5nm、优选0.6nm至1.0nm、更优选0.7nm至0.9nm的厚度。
14.根据权利要求6和8至12中一项所述的存储器单元，特征在于当铁磁结构包含多于一个层时，两个相邻层是相同或不相同的，优选两个相邻层是不同的。
15.提高赛道存储器器件中畴壁运动效率和减小阈值电流密度的方法，特征为在赛道存储器器件的铁磁(FM)结构或合成反铁磁(SAF)结构的铁磁/重金属(HM)界面处引入4d或5d金属粉化层(DL)。
16.根据权利要求1的存储器单元或权利要求15的方法在自旋电子学的用途，包括：磁随机访问存储器；磁记录硬盘驱动器；磁逻辑器件；使用磁储存信息的安全卡；半导体器件；或介观器件。
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