关键词：
垂直磁各向异性
自旋轨道力矩
磁化翻转
自旋霍尔角
非外延薄膜
摘要：
当今是大数据的时代,面对如此复杂与大量的信息,如何能实现更为高效、稳定、低功耗以及非易失地储存信息,成为了当今科研人员面临的重大的挑战。磁性随机存储器（Magnetic-Random-Accessory-Memory,MRAM）由于具有非易失性、超高存储密度、超高读写速率和低功耗等优点,与传统半导体数据存储器相比具有十分重要的应用前景。然而,MRAM经历了大致两代技术的更迭后,科研人员发现其还是不能满足信息存储的需求。近年来,自旋轨道力矩磁性存储器（Spin-Orbit Torque,SOT-MRAM）已经成为磁性存储技术的新的研究领域,它主要是利用电流诱导的自旋流产生的SOT调节控制磁性作为数据信息写入方式,这既能保持了磁性随机存储器的高读写速度和低能耗等优点,也做到了对读取写入路径的完全隔离,因而能够大大提高器件的抗外界击穿特性和器件的使用寿命。目前,SOT-MRAM的研究主要聚焦在铁磁金属/重金属（FM/HM）体系,利用5d重金属材料具有的较强自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling,SOC）作用,即通过其自旋霍尔效应（Spin Hall effect,SHE）或/和界面Rashba效应,将电荷流转化为自旋流或在界面处的自旋的积累注入到相邻的磁性金属层中,并且利用对磁性金属层的磁矩施加自旋轨道力矩的作用实现磁矩的翻转。为了使器件实现更低的功耗,就需要降低磁性存储单元的临界翻转的电流密度（Jc）,提高电荷流-自旋流的转换效率（即自旋霍尔角）以此达到低功耗的目的。但是,由于重金属体系的自旋霍尔效应比较弱,自旋霍尔角（约为0.1-0.3）的提高也遇到了很大的瓶颈。因此,需要寻找具有更大的自旋霍尔角的材料。针对以上涉及的几个相关问题,本论文中通过采用磁控溅射工艺技术制备了兼具垂直磁各向异性的重金属/铁磁金属和拓扑绝缘体/铁磁金属的异质结,采用自旋输运、磁光克尔显微镜等测试方式,对其自旋霍尔角、自旋轨道力矩驱动磁化翻转和磁畴壁运动开展相关测试研究,主要获得如下创新性研究成果:（1）通过采用具有强自旋轨道耦合作用且自旋霍尔角符号相反的5d重金属Pt和W,溅射制备出具有垂直磁各向异性的Pt/Co/W1-xPtx异质结构,并系统地研究了垂直磁各向异性（Perpendicular-Magnetic-Anisotropy,PMA）和自旋霍尔角随W1-xPtx厚度与其成分变化的关系。实验中,我们获得了高达10 k Oe的垂直磁各向异性场,这是目前已知Pt/Co体系所得到的最大值。其次,由电流诱导的SOT驱动磁化翻转的临界翻转电流密度降低至10～6 A/cm2,同时表明,掺入Pt时能够更有效地减小临界翻转电流密度,这可以成为一种降低临界翻转电流密度的方法。最后,通过分析自旋输运的测试结果,Pt/Co/W1-xPtx系列样品获得了最大的自旋霍尔角为0.25。并且我们通过一系列变化温度的测试,得到了Pt/Co/W1-xPtx体系样品有效的自旋霍尔角大小与其纵向电阻率成正比的实验结果,这强有力地证明了体系的自旋霍尔效应主要是斜散射的贡献。（2）利用超高真空磁控溅射台成功制备了高质量Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜,并与Pt/Co制备成Pt/Co/Bi2Se3垂直磁化异质结,系统地研究了自旋霍尔角随拓扑绝缘层厚度变化的规律并分析了SOT的来源。首先,同样是基于Pt/Co基的垂直磁化的异质结也具有高达12 k Oe的垂直磁各向异性场,表明样品制成的器件有着良好的稳定性。其次,由于拓扑绝缘体的加入,得到了比重金属体系更小的临界翻转电流密度。最后,通过自旋输运的方法得到了较大的有效自旋霍尔角0.35（单考虑来自Bi2Se3的贡献,自旋霍尔角会远远大于1）,并且发现其与Bi2Se3的厚度没有依赖关系。并且,变温自旋输运的测试结果表明自旋霍尔角的贡献来自于Bi2Se3的拓扑表面态。对重金属/铁磁金属/拓扑绝缘体异质结的初步研究结果对工业实际应用中有着重要意义。（3）我们选取三元拓扑材料(Bi1-xSbx)2Te3作为自旋流的源材料,制备成Pt/Co/(Bi1-xSbx)2Te3异质结构,系统地研究了PMA、自旋霍尔角、外磁场驱动的畴壁运动、热稳定性以及Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）与不同拓扑绝缘层厚度以及Sb成分的关系。实验结果表明,该体系的临界翻转电流密度低至10～5A/cm2;随着Sb成分的变化,该体系的有效的自旋霍尔角从0.30提高至0.75,这表明三元拓扑材料(Bi1-xSbx)2Te3对于SOT-MRAM的应用更具有优势。我们还定量的分析了Pt/Co/(Bi1-xSbx)2Te3异质结的DMI,表明其不仅来源于Pt/Co界面的贡献,还与(Bi1-xSbx)2Te3中的Sb的成分有关。除此之外,根据磁场驱动磁畴壁运动的
