米乐m6官方网站 阐明磁性材料中自旋转换的机制

国立先进产业技术综合研究所 [会长：石村和彦]（以下简称“AIST”）新原理计算研究中心[研究中心主任：汤浅真司] 自旋器件组研究员日比野由纪、首席研究员谷口智博、研究组组长药师寺敬等人发现磁性材料中的电流旋转的流程自旋电流)（以下简称“旋转转换''：概览图（左）自旋转换效率方面取得了显着的进步

到目前为止，在 AIST，磁性材料非易失性磁存储器MRAM是一种类型自旋轨道扭矩MRAM (SOT-MRAM)信息写入（微磁体反转）性能的研究和开发。 （轮廓图（左））。然而，由于磁性材料中自旋转换的机制仍不清楚，因此尚未建立实现应用所必需的高自旋转换效率的指南。这次，我们开发了一种可以精确检测磁性材料中自旋转换的元件结构，并系统地研究了自旋转换效率。因此，磁性材料接口和内部（批量）产生了两种不同的自旋转换机制，并且还发现了一种通过控制界面磁性材料来大幅提高自旋转换效率的方法，如示意图（右）所示。这一成果有望为实现结合超高速运行与低功耗的下一代存储器SOT-MRAM铺平道路，并有望在未来的移动终端和数据中心带来更低的功耗和更高的性能。

此结果将于 2021 年 10 月 29 日（英国时间）发布自然通讯

为了实现我国所追求的未来社会50所需的海量数据（大数据）分析，大幅降低IT设备的功耗至关重要。作为这一问题的解决方案之一，具有出色功效的MRAM 引起了广泛关注。 MRAM 是磁性隧道结器件（MTJ器件）磁化方向（磁铁方向：向上或向下）信息的存储器。通过将电流直接传递到 MTJ 元件来写入和读取信息当前写入类型MRAM (STT-MRAM)已经作为系统LSI嵌入式存储器实现了商品化。

同时，作为下一代 MRAM 的候选技术，自旋轨道扭矩 MRAM (SOT-MRAM) 的基础研究正在积极开展（图 1）。在SOT-MRAM中，电流流过与MTJ元件相邻的布线层，并且利用该电流通过自旋转换产生的自旋电流来反转MTJ元件中的磁体的方向并写入信息。读取信息时，有小电流通过MTJ元件，类似于STT-MRAM。采用这种存储器结构，在写入期间没有电流流过MTJ元件，因此原则上不存在STT-MRAM高速操作期间出现的MTJ元件电击穿等问题。因此，与STT-MRAM相比，SOT-MRAM具有能够轻松实现高速运行和高可靠性的优点，有望用作超高速存储器。迄今为止在SOT-MRAM的研发中，作为布线层非磁性材料已被使用。在使用非磁性材料的自旋转换中，会产生自旋流，其中自旋在薄膜平面内极化，如图1（a）所示。面内磁化MTJ元件的信息然而，这种自旋转换可以通过高存储密度来实现。垂直磁化MTJ元件，会出现写入错误等很多问题。因此，需要实现一种适合在垂直磁化的MTJ元件中写入的新的自旋转换技术。

自 2014 年以来，AIST 一直在进行自旋转换的基础研究，着眼于 SOT-MRAM 应用。异常霍尔效应，可以实现适合垂直磁化MTJ元件写入的自旋转换。此外，他们还制作了一种在布线层中使用磁性材料的装置，并在世界上首次成功地通过实验观察到由于反常霍尔效应而产生的自旋转换。AIST 新闻稿 2018 年 2 月 13 日）。另一方面，国家标准技术研究所和韩国科学技术院的研究小组提出了一种新型磁性材料自旋转换，其对称性不同于反常霍尔效应，预计即使采用如图1（b）所示的易于制造的器件结构，也可以写入垂直磁化的MTJ器件。然而，这种新颖的自旋转换的详细机制（例如，磁性材料的界面效应还是体效应占主导地位）尚不清楚，并且尚未建立实现节能操作所需的高自旋转换效率的指南。因此，本次我们开发了一种能够高精度检测磁性材料中自旋转换的元件，并对自旋转换效率进行了系统研究，以阐明自旋转换的机理并提高其效率。

这项研究与开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金（项目编号 19J01643）和日本科学技术振兴机构 (JST) 推动的战略创意研究促进项目团队型研究 (CREST)（项目编号 JPMJCR18T3）的支持。

在本研究中，我们制造了如图 2(a) 所示的设备。由钴（Co）和镍（Ni）制成的多层磁性材料（以下称为“Co/Ni多层”）用作底部的布线层，顶部使用在MRAM中的信息存储中发挥作用的铁硼（Fe-B）合金层（以下称为“检测层”）。此外，通过在两层之间插入薄铜（Cu）层，磁耦合当电流通过该元件时，Co/Ni多层膜中的自旋转换产生的自旋电流被注入到检测层中。在实验中，通过测量注入自旋电流在检测层中产生的扭矩来定量评估自旋转换效率。方法是检测层磁化强度的进动铁磁共振并用电学方法检测了磁化动力学。在此设备中，巨磁阻效应据表示，高精度的电检测是可能的。

在这项研究中，我们首先研究了根据 Co/Ni 多层膜中磁体的方向，通过自旋转换产生的自旋流的极化方向。结果表明，Co/Ni多层膜中发生了两种不同自旋方向的自旋转换（图2（b））。一种是自旋转换，其自旋方向与非磁性材料的情况相同。另一种是新颖的自旋转换，它强烈依赖于磁性材料的磁化方向，被发现适合在垂直磁化的MTJ元件中写入。

接下来，为了研究取决于磁化方向的新自旋转换的起源，我们进行了改变布线层厚度的实验。结果，我们观察到自旋转换效率随着薄膜厚度的减小而增加（图3（a））。该结果表明，源自磁性材料的界面和内部（本体）的两种不同机制在彼此抵消的方向上共存。这表明界面的贡献对于提高自旋转换效率很重要。接下来，我们关注该界面的贡献，并通过优化与铜界面处的磁性材料的成分（Co和Ni的比例）来努力提高自旋转换效率。结果，界面处的磁性材料从Co变为Ni₆₉公司₃₁通过形成合金，我们成功地将自旋转换效率提高了大约三倍（图3b）。

在这项研究中，我们阐明了磁性材料中的自旋转换机制，并证明了在此基础上转换效率的显着提高。获得的自旋转换效率针对垂直磁化SOT-MRAM其他候选材料高一个数量级，表明磁性材料有望作为SOT-MRAM的互连层。这些结果将极大地加速未来SOT-MRAM互连层材料的开发。

未来，我们将继续研发在布线层使用磁性材料的SOT-MRAM。我们将继续研究以证明高速和高可靠性的写入操作，并旨在通过与垂直磁化MTJ元件相结合来实现高密度SOT-MRAM。此外，为了实际应用，我们将新的自旋转换效率提高到1000 Ω^-1厘米^-1（大约是目前水平的两倍）或更多，我们将致力于开发新的磁性材料，以进一步提高转换效率。如果SOT-MRAM投入实际应用，有望为移动终端和数据中心带来更低的功耗和更高的性能。

杂志名称：自然通讯
论文标题：通过自旋轨道耦合实现铁磁体中巨大的电荷自旋转换。
作者：Yuki Hibino、Tomohiro Taniguchi、Kay Yakushiji、Akio Fukushima、Hitoshi Kubota 和 Shinji Yuasa
DOI：101038/s41467-021-26445-y

◆自旋、自旋电流、自旋转换、自旋转换效率

除了携带电力的“电荷”之外，电子还具有自旋角动量（所谓的“自旋”），这是微小磁铁的特征。电荷的流动称为电流，自旋的流动称为自旋电流。自旋转换是指当电流通过布线层时，在与电流垂直的方向上产生自旋电流的现象，如图1所示。自旋转换的典型机制是“自旋霍尔效应”，发生在非磁性材料中，由材料内部的自旋轨道相互作用引起。自旋转换效率是响应于布线层的电场（或施加的电流）而产生多少自旋电流的指标。转换效率越高，越能以小电流产生大的自旋电流，从而可以以低功率写入信息。在本研究中，自旋转换效率定义为施加到器件上的每单位电场产生的自旋电流量。[返回来源]

◆磁性材料

具有被磁铁吸引的特性（称为铁磁性）的材料。典型的磁性材料包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)以及包含这些作为主要成分的合金。[返回来源]

◆非易失性磁存储器MRAM、电流写入型MRAM（STT-MRAM）

非易失性磁存储器 MRAM 是一种“非易失性存储器”，即使在电源关闭时也能保留存储的信息。这是一种采用MTJ​​元件作为存储元件的存储器，具有非易失性、高速运行、低功耗、低电压驱动等优异特性。 MTJ元件可以根据两个铁磁电极的磁体的相对方向（平行或反平行）呈现高电阻状态或低电阻状态，并且可以通过分别对应于“1”和“0”来存储信息。信息以微小磁铁的方向存储，因此即使电源关闭，信息也能保留。通过反转其中一个磁体的方向，写入“1”和“0”的信息，并通过检测MTJ元件的电阻（高电阻状态、低电阻状态）来读出信息。根据信息写入方法的不同，MRAM有多种类型，例如磁场写入MRAM（切换MRAM）、电流写入MRAM（STT-MRAM）、电压写入MRAM（电压驱动MRAM或VC-MRAM）和自旋轨道扭矩MRAM（SOT-MRAM）。
目前主流的STT-MRAM中，写入和读取信息时电流通过相同的路径直接流向MTJ元件。 STT-MRAM 已作为系统 LSI 中的嵌入式存储器实现商业化。[返回来源]

◆自旋轨道扭矩MRAM（SOT-MRAM）

自旋轨道扭矩 MRAM (SOT-MRM) 是下一代 MRAM 的候选者之一。在SOT-MRAM中，写入信息时，电流通过与MTJ元件相邻的布线层，将自旋转换产生的自旋电流注入MTJ元件，使磁体的方向反转。读取信息时，有小电流通过MTJ元件，类似于STT-MRAM。由于写入期间没有电流流过MTJ元件，因此原则上不存在诸如高速写入STT-MRAM期间可能发生的MTJ元件电损坏等问题。因此，与STT-MRAM相比，SOT-MRAM具有能够轻松实现高速运行和高可靠性的优点，使其适合超高速存储器应用。但由于写入需要大电流等问题，目前还处于研发阶段。[返回来源]

◆接口，内部（散装）

不同材料接合时形成的接合面称为“界面”。由于结构的反演对称性在界面处被破坏，因此已知会发生各种物理现象，例如拉什巴效应。另一方面，不接触界面的部分对应于物质的内部，在化学和物理学中被称为“块体”。自旋霍尔效应对应于体效应，因为自旋电流是由材料内部的自旋轨道相互作用产生的。[返回来源]

◆自然通讯

涵盖自然科学各个领域的综合性科学期刊，由英国Nature Portfolio（原自然出版集团）出版。虽然是一般期刊，但具有堪比各领域顶级期刊的影响力（2020年影响因子为14919）。[返回来源]

◆磁隧道结器件（MTJ）、面内磁化MTJ器件、垂直磁化MTJ器件

磁隧道结器件是在两个铁磁电极层之间夹有厚度约为1-2 nm的绝缘层（称为隧道势垒层）的器件，也称为MTJ器件，英文为Magnetic Tunnel Junction的缩写。换句话说，MTJ元件基本上具有[电极层/隧道势垒层/电极层]的三层结构，其上方和下方附有布线层。通常，绝缘体不导电，但当在 MTJ 元件的两个电极之间施加电压时，一种称为隧道电流的特殊电流会流过隧道势垒。这显示了一种被称为“隧道磁阻效应（TMR效应）”的物理现象，其中MTJ元件的电阻根据两个铁磁电极的磁化方向是平行还是反平行而变化。 2004年，AIST开发了世界上第一个使用氧化镁（MgO）作为隧道势垒的高性能MTJ元件。该MTJ元件目前广泛用作STT-MRAM存储元件、硬盘磁头、磁传感器等。
其中铁磁电极层的磁体取向为平行于薄膜表面的MTJ元件称为“面内磁化MTJ元件”，其中磁体取向为垂直于薄膜表面的MTJ元件称为“垂直磁化MTJ元件”。即使元件尺寸小型化，垂直磁化MTJ元件也具有较高的热稳定性，因此适合高度集成的MRAM。[返回来源]

◆非磁性材料

一种非磁性且不粘附磁铁的材料。许多材料都是非磁性的，例如铜、铝、金和铂。[返回来源]

◆异常霍尔效应

当电流通过磁性材料时，电荷流动的方向与电流和磁铁的方向垂直。这称为反常霍尔效应。 “异常”一词用于区分异常霍尔效应和正常霍尔效应（当电流流过半导体等并施加磁场时，电荷沿与电流和磁场方向垂直的方向流动的现象）。 AIST在世界上第一个从理论上提出，通过利用这种反常霍尔效应，不仅会发生电荷流，还会发生自旋流。[返回来源]

◆磁力耦合

当一种磁性材料直接粘合到另一种磁性材料上时，磁化强度可能会在粘合表面耦合并一起移动。这是由于两层的磁化力试图通过磁体内部的电子来对齐或反转方向的相互作用。这种耦合使得难以单独检测检测层中的铁磁共振。在本实验中，通过夹入铜来消除这种类型的键合，从而可以定量评估自旋转换。[返回来源]

◆铁磁共振

通过向摆锤施加特定频率的力，即使是微弱的力也能引起较大的振动。这是一种共振现象。同样，对于磁体来说，通过施加微弱的交变磁场，在一定条件下会引起较大的磁化进动，这称为铁磁共振。在该实验中，除了直流电之外，还通过向元件施加微弱的交流电来产生交变磁场。[返回来源]

◆巨磁阻效应

在由磁铁/非磁性金属/膜厚为数纳米的磁铁构成的结构中，电阻值根据两层磁铁的相对磁化角度而变化的磁阻效应。该实验中实现了高灵敏度测量，因为与典型的各向异性磁阻效应相比，单个磁体中的磁阻效应表现出超过一个数量级的电阻变化。在本实验中，我们通过电学方法检测铁磁共振引起的磁阻交流波动产生的直流电压以及交流电的整流效应。[返回来源]

◆其他候选材料

为了抑制垂直磁化MTJ元件中的错误写入操作，需要产生垂直极化自旋电流的自旋转换。作为表达这种独特的自旋转换的必要条件，除了堆叠结构带来的结构反演对称性之外，还需要打破面内对称性。对于磁性材料，由于磁化导致时间反转对称性被破坏，因此可以满足该条件。其他候选材料包括面内方向上晶体对称性破缺的单晶低维材料和非共线反铁磁体。非共线反铁磁材料是指在稳定状态下以磁矩非共线（非共线）排列为特征的反铁磁材料，并且由于特征磁化结构而通过打破镜像对称性来满足必要条件。[返回参考源]