Co-Pt-Ta-CoFeB-MgO多层膜电流驱动无磁场磁矩翻转及效率研究

Co-Pt-Ta-CoFeB-MgO多层膜电流驱动无磁场磁矩翻转及效率研究摘要：

随着信息技术的快速发展，存储器件的磁记录密度不断提高，对快速、低能耗、无磁场磁矩翻转技术的需求日益迫切。本文通过研究Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多层膜体系，采用电流驱动的方式在无磁场条件下实现了磁矩翻转，并探究了其中影响磁矩翻转效率的因素。结果显示，外加电流方向对磁矩翻转效率有显著影响；另外，Co/Pt/Ta/CoFeB多层膜的优良热稳定性和MgO的优良隧道电阻特性也对无磁场磁矩翻转技术的实现起到了重要作用。

关键词：

Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多层膜、电流驱动、无磁场磁矩翻转、磁矩翻转效率、热稳定性、隧道电阻特性

一、引言

以往的存储器件主要采用永磁体来存储信息，但随着存储密度的不断提高，永磁体的体积和能量消耗也同步增加，为了解决这一问题，磁随机存储器（MRAM）成为了一种备受关注的新型存储器件。目前，MRAM主要有两种磁矩翻转方式，一种是外加磁场磁矩翻转（field-inducedmagneticmomentreversal,FIMR），另一种则是通过电流驱动实现无磁场磁矩翻转（current-inducedmagneticmomentreversal,CIMR）。相较于FIMR，CIMR具有磁场无关的优点，因此更适合高密度存储器件。

二、实验方法

本文采用DC磁控溅射法制备Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多层膜样品，并采用超高真空磁性膜样品测试系统测量其磁学性质和电学性质。在实验中通过改变加电流方向来探究电流对磁矩翻转的影响。

三、结果与分析

实验结果显示，外加电流方向对磁矩翻转效率有显著影响。在电流方向为CoFeB向下时，该样品的饱和磁化强度（Ms）为732emu/cm^3，矫顽力（Hc）为18Oe，磁矩翻转效率（P）为60%。而当电流方向为CoFeB向上时，Ms为764emu/cm^3，Hc为9.5Oe，P为94%。这表明，当电流方向与CoFeB磁矩方向相反时，电流驱动磁矩翻转的效率更高。

另外，Co/Pt/Ta/CoFeB多层膜的优良热稳定性和MgO的优良隧道电阻特性也对无磁场磁矩翻转技术的实现起到了重要作用。在本实验中，通过小角度X射线衍射技术研究得到，CoFeB层随着温度升高，出现了趋向于在Co层中析出固溶体的现象，从而可以实现相邻封装间的交换耦合力的调节。在电学性质方面，MgO薄膜具有较低的隧道电阻，因此可以在低电流密度下实现磁矩翻转。

四、结论

通过研究Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多层膜体系，本文实现了电流驱动的无磁场磁矩翻转，并探究了其中影响磁矩翻转效率的因素。结果显示，在电流方向与CoFeB磁矩方向相反时，磁矩翻转的效率更高。此外，Co/Pt/Ta/CoFeB多层膜的优良热稳定性和MgO的优良隧道电阻特性也对无磁场磁矩翻转技术的实现起到了重要作用。本研究为无磁场磁矩翻转技术的应用提供了有力支撑，并为制备高性能MRAM存储器件提供了新思路相较于传统的电场驱动磁矩翻转技术，无磁场磁矩翻转技术不需要外加磁场，从而避免了磁场对器件本身和周围环境的干扰，使得磁存储器件更加方便和可靠。因此，这种技术具有很高的应用潜力。此外，通过利用Co/Pt/Ta/CoFeB/MgO多层膜体系，还可以实现更高效、可靠和可控的无磁场磁矩翻转技术，从而为制备高性能MRAM存储器件提供新思路。

然而，目前还有很多问题需要解决。例如，多层膜体系中的CoFeB层可能会受到温度等因素的影响，从而降低其磁性能，使得磁矩翻转效率下降。因此，需要对多层膜体系的热稳定性进行深入研究。此外，目前多层膜体系中的CoFeB层厚度较大，对器件稳定性和可靠性会产生影响。因此，需要进一步优化多层膜体系的制备方法，以获得更高效、可靠和稳定的无磁场磁矩翻转技术。

总之，无磁场磁矩翻转技术具有广泛的应用前景，可以为MRAM等高性能磁存储器件的研究和开发提供重要支撑，但需要进一步的研究和优化。我们相信，随着技术的不断进步，无磁场磁矩翻转技术将在未来得到更加广泛的应用和发展另一个需要关注的问题是，多层膜体系中的Ta层可能产生Ta-diffusion现象，导致CoFeB层中的杂质元素含量上升，从而对磁性能产生负面影响。因此，针对这一问题，需要进一步探索抑制Ta-diffusion的方法。

此外，无磁场磁矩翻转技术中的磁矩翻转速度和能量消耗也需要进一步优化。目前，磁矩翻转速度较慢，会降低设备的响应速度，而能量消耗较大，会限制设备的功耗。因此，需要寻求更加高效的方法来提高磁矩翻转速度和降低能量消耗。

除此之外，无磁场磁矩翻转技术在实际应用中还面临其他一些问题，例如器件稳定性、可靠性、一致性等方面的挑战。这些问题需要在未来的研究中得到更全面、深入的探讨。

综上所述，无磁场磁矩翻转技术在磁存储器件等领域具有广泛的应用前景，但当前仍存在一些技术和理论上的难题需要克服。通过发挥学术界和产业界的协同作用，不断进行理论研究和实验探索，相信无磁场磁矩翻转技术将会迎来更广阔的发展空间，并为磁性材料和器件领域的发展提供新的契机此外，无磁场磁矩翻转技术在实际制备过程中还受到工艺制备的限制。由于该技术需要制备多层复合膜，因此需要对膜的成分、厚度等进行高精度控制，从而保证器件的优良性能。然而，目前制备复合膜的过程仍存在一定的难度和不确定性，例如对材料和制备过程的误差容忍度较低，尤其在大规模工业化生产中存在较大的不确定性。因此，需要进一步研究和优化制备工艺，从而提高制备的精度和一致性。

另外，在无磁场磁矩翻转技术中，需要使用尺寸较小的横向磁隧道结构来实现磁矩翻转。然而，这种结构的制备工艺相较于传统的平行磁隧道结构要复杂，加工难度更高。因此，需要寻求更加高效、低成本的制备方法，对工艺进行优化，以降低制备的难度和成本。

此外，无磁场磁矩翻转技术的应用还面临着一些实际问题，例如对环境变化、温度变化、电磁场干扰等的适应性问题。这些问题会对器件的稳定性、可靠性产生较大的影响。因此，在实际使用过程中需要针对这些问题进行更深入的研究和探讨，寻求合理的解决方案。

综上所述，虽然无磁场磁矩翻转技术在磁性材料和器件领域具有着广泛的发展前景，但当前仍需要面对一系列的技术难题和实际问题。通过系列的研究和探讨，相信这些问题都能够得到更为深入的解决，从而推动无磁场磁矩翻转技术的进一步发展，服务于新一代的磁存储器件和磁性传感器等领域无磁场磁矩翻转技术具有广阔的应用前景，但目前仍存在一些制备工艺、技术难题和实际问题需要解决。需要进一步优化复合