Deterministic Field-free Switching of a Perpendicularly Magnetized Ferromagnetic Layer via the Joint Effects of Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Field-like Spin-orbit Torque: An Appraisal
利用自旋霍尔效应（SHE）产生的自旋轨道矩（SOT）实现垂直磁化铁磁层的无场开关在磁存储器件的应用中具有重要意义。在本文中，我们研究了确定性的SOT开关通过的共同作用的Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（ESTA）和类场转矩（FLT）的微磁模拟。我们证实，在一定范围内的磁化强度值和充电电流密度，它是可能的确定性切换磁化没有援助的外部磁场。我们表明，FLT可以发挥不利的作用，在某些情况下，阻止和减缓的磁化翻转和充电电流驱动的无场开关。然而，在其他情况下，FLT可以帮助确定性的无场SOT开关。此外，研究发现，FLT可以有效地扩大电流密度窗口的确定性的无场SOT开关中存在的寄生电流。
2019-03-22 physics.app-ph
Perpendicular magnetic anisotropy, tunneling magnetoresistance and spin-transfer torque effect in magnetic tunnel junctions with Nb layers
铌及其化合物由于具有高的超导转变温度和高的临界场而被广泛应用于量子计算中。结合超导性能和自旋电子非易失性的设备可以提供独特的功能。在这里，我们报告的磁性隧道结的研究与铌作为重金属层。在Nb/CoFeB/MgO异质结构中获得了1.85 mJ/m2的界面垂直磁各向异性能量密度。隧道磁电阻的结具有不同的厚度组合和不同的退火条件进行了评估。在室温下获得了120%的最佳磁电阻，由铁磁共振确定的阻尼参数为0.011。此外，在这些结中也成功地观察到自旋转移力矩开关，其准静态开关电流密度为7.3*10^5 A/cm 2。
2022-10-26 physics.app-ph
Field-free spin-orbit-torque switching of perpendicular magnetization aided by uniaxial shape anisotropy
研究表明，利用自旋轨道矩（SOT）可以实现超快速度和低能耗的垂直磁化翻转。然而，为了使切换确定性，需要不期望的磁场或非常规器件几何形状来打破结构逆对称。在这里，我们提出了一种新的方案，SOT诱导的无场确定性开关的垂直磁化。该方案可以在简单的磁性隧道结（MTJ）/重金属系统中实现，而不需要复杂的器件结构。将单轴各向异性MTJ图案化为椭圆形状并且与重金属的轴不对准，使得单轴形状各向异性有助于磁化切换。此外，不同于传统的开关方案，其中切换的最终磁化状态是依赖于所施加的电流的方向，在我们的方案中，双极开关是通过选择不同的电流路径，这提供了一个新的自由度，开发新的自旋电子存储器或逻辑器件。通过宏观自旋模拟，我们表明，在所提出的方案中，可以获得一个宽的操作窗口的所施加的电流脉冲。不需要精确控制脉冲幅度或脉冲持续时间。讨论了阻尼常数和类场转矩强度等关键参数的影响。
2019-03-27 physics.app-ph
Field-free spin-orbit torque switching enabled by interlayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction
在无场条件下使用自旋电流可切换的磁化结构可以潜在地应用于自旋轨道扭矩磁性随机存取存储器已经开发了几种结构;然而，迫切需要具有简单堆叠结构和MRAM兼容性的新结构。在此，垂直自旋转移矩MRAM中的典型结构，观察到Pt/Co多层膜及其具有垂直磁各向异性的合成反铁磁对应物在相邻磁性层之间具有固有的层间手性相互作用，即层间Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（Dzyaloshinskiii-Moriya interaction，Dzyaloshinski-Moriya interaction）效应。此外，使用平行于层间介电层的本征向量的电流，由于层间介电层引入的额外的介电层断裂，我们在没有磁场的情况下切换了两种结构的垂直磁化。这种在Pt/Co多层膜及其合成的反铁磁结构中实现的SOT开关方案可能为实际的垂直SOT-MRAM和其他SOT器件开辟一条新的途径。
2022-05-13 physics.app-ph
Interplay of symmetry-conserved tunneling, interfacial oxidation and perpendicular magnetic anisotropy in CoFeB/MgO-based junctions
研究了MgO基垂直磁性隧道结的界面氧化水平和热力学性质。在射频溅射过程中，MgO的吸附原子的能量，以及在生长后的热退火过程中的结构的热稳定性敏感地依赖于晶体的守恒隧穿效应。磁电阻的两种不同的失效模式，涉及的垂直磁各向异性的衰减和相干隧穿通道的破坏，分别突出。通过控制界面氧化程度和选择合适的重金属层，可以提高结的垂直磁各向异性和隧道磁电阻。
2022-10-30 physics.app-ph
Origin of the resistance-area product dependence of spin transfer torque switching in perpendicular magnetic random access memory cells
本文报道了在具有可变电阻面积积（RA）的垂直磁性随机存取存储器（MRAM）单元中电流感应开关的实验研究。我们的研究结果表明，除了自旋转移矩（STT），电流诱导的自加热和电压控制的磁各向异性也有助于开关，并可以解释开关电流密度和STT效率的RA依赖性。我们的研究结果表明，热优化的垂直MRAM单元可以导致开关电流显着减少。
2019-05-07 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Magnetodynamics in orthogonal nanocontact spin-torque nano-oscillators based on magnetic tunnel junctions
我们证明了场和电流控制的磁动力学在nanocontact自旋扭矩纳米振荡器（STNOs）的基础上正交磁隧道结（MTJ）。系统地分析了其微波特性（频率$f$、线宽$Δf$、功率$P$和频率可调谐性$df/dI$）及其物理根源--垂直磁各向异性（PMA）、类阻尼和类场自旋转移矩（STT）和压控磁各向异性（VCMA）。这些器件具有几个有利的特性：高发射频率（$f> 20$ GHz）、高频可调谐性（$df/dI=0.25$ ~GHz/mA）和零场工作（$f\sim 4$ GHz）。对$f(H, I)$的详细研究表明，$df/dI$主要受大的VCMA（287 fJ/（V $\cdot$ m））控制，而STT的作用可以忽略不计。
2019-08-02 physics.app-ph
Electric-field control of spin-orbit torques in perpendicularly magnetized W/CoFeB/MgO films
通过电场控制磁性为设计未来几代节能信息技术提供了非常有吸引力的前景。在这里，我们证明了在薄的垂直磁化CoFeB薄膜的电流诱导的自旋轨道转矩的大小可以调整，甚至增加由电场产生的压电应变。使用理论计算，我们发现，自旋轨道耦合，晶体对称性和轨道极化的微妙的相互作用是在所观察到的自旋轨道扭矩的应变依赖性的核心。我们的研究结果开辟了一条道路，整合两个能源效率的自旋操纵方法，电场诱导的应变和电流诱导的磁化切换，从而使新的设备概念。
2020-02-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Field-free perpendicular magnetization switching through domain wall motion in Pt/Co/Cr racetracks by spin orbit torques with the assistance of accompanying Joule heating effect
具有垂直磁各向异性（PMA）的重金属/铁磁层在赛道存储器和非易失性磁性随机存取存储器中具有高密度信息存储的潜在应用。在这些器件中，信息的写入和擦除通过畴壁（DW）运动和确定性磁化切换经由电流产生的自旋轨道力矩（SOT）在面内偏置场的帮助下打破对称性来进行。当垂直磁化的切换由SOT产生的电流控制而没有面内偏置场时，可以获得能量效率的改善。在这里，我们报告的可逆电流驱动的磁化翻转通过DW运动在Pt/Co/Cr三层与PMA在室温下由于形成的同手性Neel型域，其中存在一个面内有效的Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用场。完全确定性的磁性磁化切换在这三层是基于从一个专门的设计的Pt/Co/Cr结构与两个重金属Pt和Cr，显示相反的符号的自旋霍尔角的SOTs的增强。我们还证明了同时伴随的焦耳热效应也起着关键作用，通过减少传播场的无场磁化翻转。
2017-09-13 physics.app-ph
Iridium Enabled Field-free Spin-orbit Torque Switching of Perpendicular Magnetic Tunnel Junction Device
利用自旋霍尔效应产生的自旋-轨道转矩（SOT）写入磁性位为超快和低功率磁阻随机存取存储器（MRAM）创造了新的可能性。对于垂直MRAM，需要额外的面内场来打破垂直存储层的确定性SOT写入的对称性。虽然方案已经在垂直层的无外场SOT开关中得到了证明，但实际上将它们与垂直MTJ集成似乎仍然具有挑战性。在这里，我们提出了实验演示的自旋轨道转矩（SOTs）开关的垂直磁隧道结（MTJ）器件，而不施加外部磁场。Ir层用于经由自旋霍尔效应注入纯自旋电流和将面内交换场介导到MTJ的垂直自由层的双重目的。稳健的无场SOT开关与脉冲写路径电流被证明为各种MTJ尺寸范围从50 nm到500 nm。研究了MTJ尺寸和脉宽对临界开关电流的影响。结合微磁模拟进行开关动力学以及开关上的热效应提供深入的分析。
2019-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Multi-bit MRAM storage cells utilizing serially connected perpendicular magnetic tunnel junctions
提出使用垂直磁性隧道结（pMTJ）的多个存储器单元的串联连接作为增加磁性随机存取存储器（MRAM）存储密度的方式。多位存储元件使用在单个晶片堆叠上制造的pMTJ来设计，其中使用顶部到底部通孔来实现串行连接。给出了130%以上的隧穿磁阻效应、零外磁场下的电流感生磁化翻转、单位、二位和三位单元的稳定图分析以及热稳定性。所提出的设计易于制造，并且可以导致未来MRAM器件的容量增加。
2019-03-22 physics.app-ph
Current-induced magnetization switching in atom-thick tungsten engineered perpendicular magnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance
基于MgO/CoFeB结构的垂直磁性隧道结由于其优异的热稳定性、缩放潜力和功率耗散而对于磁性随机存取存储器特别感兴趣。然而，在具有大隧道磁电阻比和低结电阻的纳米柱中的电流诱导开关的主要挑战仍然有待满足。在此，我们报道了在纳米尺度垂直磁性隧道结中自旋转移矩的翻转，其磁阻比高达249%，电阻面积积低至7.0 Ω.μm2，该结由原子厚的W层和双MgO/CoFeB界面组成.原子厚的W层诱导的有效的共振隧穿传输可以有助于比具有Ta层的常规结构更大的磁阻比，除了W层对退火期间的高温扩散的鲁棒性之外。对于半径为45 nm的器件，开关临界电流密度可以低于3.0 MA·cm-2。
2018-01-23 physics.app-ph
Thermal effects in spin torque switching of perpendicular magnetic tunnel junctions at cryogenic temperatures
温度在磁性隧道结的自旋力矩开关中起着重要的作用，导致磁化波动，降低了开关电压，但也引入了开关误差。在这里，我们提出了一个系统的研究，从室温到4 K的最先进的垂直磁性隧道结纳米柱（直径40至60 nm）的自旋扭矩开关概率的温度依赖性，采样高达一百万个开关事件。在开关电压的结温度-从热辅助自旋扭矩开关模型-饱和温度低于约75 K，表明结加热是显着低于这个温度和自旋扭矩开关保持高度随机下降到4 K。纳米柱结中的热流模型表明，这种效应与结中金属的热导率和热容降低有关。
2020-09-03 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Lack of simple correlation between switching current density and spin-orbit torque efficiency of perpendicularly magnetized spin-current generator/ferromagnet heterostructures
自旋-轨道转矩可以驱动磁性层的电切换。在这里，我们报告说，至少对于微米尺寸的样品，阻尼类自旋轨道扭矩（dampinglike spin-orbit torque）（damping-DL ^j）的效率和垂直磁化的自旋电流发生器/铁磁体异质结构的临界开关电流密度之间没有简单的相关性。我们发现，在畴壁脱钉分析中，基于开关电流密度的ε_DL ^j的值可以被低估或高估ε_DL^j达数十倍，而在基于开关电流密度的宏自旋分析中，ε_DL^j可以被高估达数千倍。当比较自旋电流发生器的相对强度时，临界开关电流密度本身是一个很差的预测因素。
2021-01-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Back-hopping in Spin-Transfer-Torque switching of perpendicularly magnetized tunnel junctions
我们分析了垂直磁化隧道结中自旋矩引起的磁化翻转中的回跳现象。该分析是基于单次拍摄的时间分辨电导测量的脉冲引起的回跳。研究几种材料变体表明，反向跳跃是隧道结的名义上固定系统的一个特征。发现反向跳跃通过两个顺序的切换事件进行，这导致接近于但不同于常规并联状态的电导的最终状态P'。P'态在剩磁时不存在。如果电流被移除，它通常会松弛到传统的反平行状态。P'状态涉及固定层的唯一自旋极化部分的切换。文献的分析表明，只有当自旋极化层太弱耦合到固定系统的其余部分时，才会发生回跳，这证明了在自旋转移矩磁性随机存取存储器中凭经验实施的回跳缓解策略的后验性。
2020-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Giant bulk spin-orbit torque and efficient electrical switching in single ferrimagnetic FeTb layers with strong perpendicular magnetic anisotropy
本研究在易于集成的强垂直磁各向异性亚铁磁FeTb单层中发现创纪录的巨体阻尼型自旋轨道矩，可实现低电流密度下的磁矩开关，揭示其成分依赖特性，为低功耗高密度亚铁磁器件研发提供新路径。
2022-03-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Threshold current of field-free perpendicular magnetization switching using anomalous spin-orbit torque
本文解析推导了利用反常自旋轨道矩实现无外场垂直磁化翻转的阈值电流，系统研究了各参数对阈值电流和能耗的影响，并证明亚阈值电流可等效产生可调交换偏置场，为新型自旋电子器件设计提供依据。
2023-04-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
RF signal detector and energy harvester based on a spin-torque diode with perpendicular magnetic anisotropy
本文理论证明具有一阶和二阶垂直磁各向异性且无偏置磁场的自旋矩二极管可在低于约250 MHz的射频信号下激发面外进动，并实现约5%转换效率的宽带射频能量收集。
2020-12-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Tunneling magnetoresistance enhancement by symmetrization in spin-orbit torque magnetic tunnel junction
具有强自旋轨道耦合（SOC）的重金属被用来产生自旋电流，通过自旋轨道矩（SOT）来控制磁化动力学。基于SOT的磁性隧道结（SOT-MTJ）具有高效的写入操作，是一种很有前景的应用。然而，SOT-MTJ面临着低隧穿磁电阻（TMR）的问题。在这项工作中，我们提出了一个从头计算的隧道磁电阻在SOT-MTJ。结果表明，SOT-MTJ对称结构可以提高TMR。对称化诱导界面共振态（IRSs）。当IRSs在相反的势垒界面匹配相同的共振时，SOT-MTJ中发生共振隧穿，这显著地有助于并联配置中的电导并改善TMR。我们通过透射谱、散射态密度和微分态密度证明了共振隧穿的发生。重金属厚度对TMR的影响有限。这一工作将有利于SOT-MTJ中TMR的优化，以及SOT自旋电子学器件。
2018-05-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Field-Free Spin-Orbit Torque driven Switching of Perpendicular Magnetic Tunnel Junction through Bending Current
针对垂直磁化SOT-MTJ开关需外加磁场的应用限制，提出通过塑形SOT通道使电流弯曲产生非均匀SOT的无场开关方案，实验验证了纳米尺度器件的开关效果，该方案可扩展、易兼容制造工艺。
2023-05-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Sub-nanosecond spin-torque switching of perpendicular magnetic tunnel junction nanopillars at cryogenic temperatures
自旋转移磁性随机存取存储器对于需要持久、快速、低能耗和高器件密度的低温应用具有重要意义。在这里，我们报告的低温纳秒持续时间的自旋转移开关特性的垂直磁隧道结（pMTJ）纳米柱器件（直径40至60 nm），并将其与它们的室温性能进行对比。有趣的是，在固定的脉冲电压下，特征开关时间随温度而减小，与宏观自旋模型预测相反，开关时间的最大减少发生在室温和150 K之间。开关能量随着温度的降低而增加，但在4K下仍然非常有利地与其他类型的自旋转移器件相比，每个开关所需的能量小于300 fJ。写入错误率（WER）测量结果显示出高度可靠性（在4 K下，4 ns脉冲时，WER <= 5x 10 ^-5），这表明pMTJ器件在低温应用中的前景以及进一步优化器件的途径。
2019-10-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Reconfigurable classifier based on spin torque driven magnetization switching in electrically connected magnetic tunnel junctions
本研究提出基于电连接磁隧道结网络的可重构分类器，通过自旋转矩驱动磁化翻转分类输入电流幅值编码信息，实验证明三结网络的口语元音分类识别率优于同参数量软件神经网络，为大规模神经形态网络发展提供支撑。
2024-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electrical coupling of superparamagnetic tunnel junctions mediated by spin-transfer-torques
本研究通过实验与模拟探讨了基于自旋转移矩效应的电学耦合对两个超顺磁隧道结随机切换的影响，揭示了通过外加电压调控状态概率与耦合强度的机制，并验证了实验与模拟结果的一致性。
2023-07-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Field-free switching of magnetic tunnel junctions driven by spin-orbit torques at sub-ns timescales
我们报告的时间分辨测量的磁化翻转的自旋轨道转矩在没有外部磁场的垂直磁化的磁性隧道结（MTJ）。无场切换由集成在MTJ堆叠上方的面内磁化层的偶极场实现，其取向确定切换极性。实时单次测量提供了磁化反转和开关分布的直接证据。接近临界开关电压，我们观察到随机反转事件，由于有限的孵化延迟之前的磁化反转。当脉冲幅度增加到临界电压的两倍时，反转变得准确定性，从而在零外部场中以亚ns时间尺度实现可靠的双极开关。我们进一步调查的开关概率作为MTJ和外部磁场的直流偏置的函数，提供洞察力的参数，确定临界开关电压。
2020-06-11 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Toggle Spin-Orbit Torque MRAM with Perpendicular Magnetic Anisotropy
自旋轨道力矩（SOT）是一种很有前途的磁性随机存取存储器（MRAM）开关机制，因为它可以提高开关速度和能量效率。特别感兴趣的是开发具有垂直磁各向异性（PMA）的SOT-MRAM器件，以便利用与平面内磁各向异性相反的PMA可实现的更大的密度和热稳定性。然而，SOT和PMA之间的正交性阻止了确定性的定向切换，而不需要破坏对称性的附加器件组件，例如外部磁场或复杂的物理结构;这些组件不仅使制造复杂化，而且对于制造和施加的切换电流的变化也不鲁棒。因此，这封信提出了一个简单的SOT-MRAM结构与PMA中，确定性的触发开关，而不需要额外的设备组件实现。此外，这种切换PMA SOT-MRAM被示出为比用于定向PMA SOT-MRAM的先前方法更鲁棒得多，对所施加的切换电流幅度具有大于50%的容限。这封信描述了物理结构和切换开关机制，提供了微磁模拟证明其可行性，并评估了材料参数的鲁棒性和公差，以指导优化器件的制造，这将启动第三代MRAM。
2019-05-03 cond-mat.mes-hall cs.ET physics.app-ph
