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研究背景

自2008年IBM提出磁壁移動記憶體[1]的概念之後，磁壁移動的研究成為自旋電子當中的顯學，而2015年，IBM提出可使用自旋軌道力矩(Spin-orbit torque, SOT)驅動人工反鐵磁性導線來達成高達750 m/s的高速磁壁移動技術 [2]，此後開始了不少在人工反鐵磁性體的磁壁移動研究，以期能實現高速記憶體應用的目標。所謂的人工反鐵磁性體，為利用兩鐵磁性薄膜夾著一個極薄的非磁性金屬所構成，基於非磁性金屬與鐵磁性薄膜間的層間交互作用 [3] (interlayer exchange coupling, 或稱RKKY交互作用[4])，兩鐵磁性體會形成相反的磁化方向，形成人工反鐵磁性體。

根據近年的研究會發現， 人工反鐵磁性導線的高速磁壁運動起源於有別於自旋移行力矩(Spin-transfer torque, STT)與 自旋軌道力矩SOT之外另一個強力的力矩效果 – 交互作用力矩 [3] (exchange coupling torque, ECT , 或稱RKKY torque [4] )，此力矩與層間交互作用的強度Jex成正比，在提升Jex的情況下能夠提升磁壁移動的速度。然而關於此層間交互作用的強度Jex能否調變人工反鐵磁導線的磁壁移動驅動臨界電流Jc一直是一個疑問。有研究顯示較大的Jex能引起較大的ECT，因而提升磁壁的驅動力，降低磁壁移動的驅動電流[5]，然而此研究的有效性並不明確。

因此，本研究決定以較為單純的方式研究與探討SOT驅動的人工反鐵磁性導線中的 Jex 與磁壁移動驅動電流Jc的交互關係。 本研究為與日本東電化公司(TDK)進行的產學研究計畫，執行期間由2019年至2021年。

研究內容

本研究採用的薄膜為於矽基板上沉積 Ta(3)/Pt(3)/Co(0.5)/Ni(0.7)/Co(0.5)/Ir(0.5 – 0.7)/[Co(0.5)/Ni(0.7)]₃/Co(0.5)/Ta(3) (由下至上, 厚度單位為nm)的垂直磁化人工反鐵磁性p-SAF薄膜，我們利用其非磁性金屬Ir的厚度來調變其Jex。

研究所製作的磁導線元件如圖一(a)所示，利用圖一(a)的測定方式，我們可以測得此p-SAF薄膜的異常霍爾效應(Anomalous Hall effect)阻抗，可得到此元件的磁滯，如圖一(b)所示。接著我們對此磁線寫入磁壁，以加入電流脈衝的方式來尋找可將磁壁推動的臨界電流，如圖一(c)所示。由圖一(c)，我們可以發現驅動磁壁的臨界電流介於4.3E11至5.8E11 A/m2之間，我們針對不同的Ir厚度(tspacer)的元件去測定其不同電流密度可使其磁壁移動的機率，取50%以上的機率的電流密度為臨界電流密度，如 圖一(d)。從結果可發現，當人工反強磁體導線的Jex越大，其所必須耗費驅動磁壁移動的臨界電流密度也越高，如同圖一(e)所顯示 。

本實驗接著用Mumax3模擬系統來對此一現象做模擬與解釋，圖二(a)為模擬的元件設定，從圖二(c)的示意圖來看，模擬的理論計算結果與圖一(e)的結果相當類似，即較大的Jex會需要較大的臨界電流以驅動p-SAF的磁壁。

我們藉由研究磁壁的偏轉角度來解釋此一現象，當電流進入人工反鐵磁導線，因為底部的Pt層，會向上形成自旋流注入，此一注入會使的下層的鐵磁層LM磁壁磁化方向偏轉，當磁壁方向偏轉夠大，便有機會形成足夠的有效垂直磁場，推動磁壁移動。而因為上層的鐵磁層 UM沒有自旋流注入，我們可以想像UM是透過Jex與LM形成反向磁化方向，而此一效果等於是牽制住LM的偏轉，因此當Jex越大，則在特定電流時LM的磁壁偏轉角度會越小，就如同圖三(c)所顯示。因此若欲使Jex較大的人工反鐵磁導線的磁壁移動，則必須注入較多的電流，去引起足夠的LM磁壁磁化偏轉角度，以達到足夠的有效垂直磁場，推動上下兩層個鐵磁性層的磁壁。

本研究結果發表論文

[1] Yu Min Hung, Yoichi Shiota, Shogo Yamada, Minoru Ohta, Tatsuo Shibata, Tomoyuki Sasaki, Ryusuke Hisatomi, Takahiro Moriyama, and Teruo Ono, Appl. Phys. Lett. 119, 032407 (2021).

參考文獻

[1] S. Parkin, M. Hayashi, and L. Thomas, Science 320, 190 (2008).
[2] S. Parkin, and S.-H. Yang, Nat. Nanotechnol. 10, 195 (2015).
[3] S.-H. Yang, and S. Parkin, J. Phys.: Condens. Matter. 29, 303001 (2017).
[4] S. Krishnia, P. Sethi, W. L. Gan, F. N. Kholid, I. Purnama, M. Ramu, T. S. Herng, J. Ding, and W.S. Lew, Sci. Rep. 7, 11715 (2015).
[5] Z. Meng, S. He, L. Huang, J. Qiu, T. Zhou, C. Panagopoulos, G. Han, and K.-L. Teo, Appl. Phys. Lett. 107, 142403 (2016).