JPhysD编辑优选:CoFe/W/CoFe结构中界面垂直磁各向异性与层间交换耦合的相关性研究

18 6月 2020 gabriels
本篇研究来自北京航空航天大学赵巍胜教授和彭守仲老师领导的课题组,采用第一性原理计算方法对MgO/CoFe/W/CoFe/MgO双界面结构的界面垂直磁各向异性和层间交换耦合进行研究,主要研究成果如下:

  1. 从理论上证明双界面结构中的层间交换耦合作用对界面垂直磁各向异性具有重要影响。
  2. 从理论上证明重金属层中的量子阱效应可以导致双界面结构中垂直磁各向异性的周期性振荡。

文章介绍

Correlation of interfacial perpendicular magnetic anisotropy and interlayer exchange coupling in CoFe/W/CoFe structures

Jingle Chen, Shouzhong Peng, Danrong Xiong, Houyi Cheng, Hangyu Zhou, Yuhao Jiang, Jiaqi Lu, Weixiang Li and Weisheng Zhao

通讯作者:

  • 彭守仲,北京航空航天大学
  • 赵巍胜,北京航空航天大学

本文采用第一性原理计算方法对MgO/CoFe/W/CoFe/MgO结构中的界面垂直磁各向异性和层间交换耦合进行了研究。计算结果表明,当钨层较薄时,该结构具有铁磁耦合和垂直磁各向异性,与实验结果吻合。当钨层厚度变化时,该结构交替出现铁磁耦合和反铁磁耦合,且同时存在长周期(4.8个原子层)振荡和短周期(3.2个原子层)振荡。此外,CoFe/W/CoFe结构中的层间交换耦合作用对界面垂直磁各向异性具有重要影响,且铁磁耦合下的磁各向异性能随钨层厚度变化进行周期性振荡。进一步研究表明,磁各向异性能的周期性振荡来源于钨层中自旋向上态的量子阱效应。这项工作有助于深入理解MgO/CoFe/W/CoFe/MgO结构中的界面垂直磁各向异性和层间交换耦合的机理,同时表明有望通过调控重金属层中量子阱效应来增强垂直磁各向异性。

研究背景

自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)具有非易失性存储、低功耗、抗辐照、高速读写等优点,受到学术界和产业界的广泛关注。STT-MRAM的核心器件是磁隧道结,通常由自由层/势垒层/参考层组成。基于CoFeB/MgO/CoFeB结构的磁隧道结具有较高的隧穿磁阻率,被广泛用于STT-MRAM中。进一步研究发现,采用MgO/CoFeB/W/CoFeB/MgO双界面结构作为自由层可以极大地增强磁隧道结的垂直磁各向异性和热稳定性,具有广阔的应用前景。然而,CoFeB/W/CoFeB结构中同时存在界面垂直磁各向异性和层间交换耦合,但这两者的关系仍不明确,如何深入理解这两者的相互关系并同时实现较强的垂直磁各向异性和铁磁耦合是一个关键问题。


作者介绍

赵巍胜,教授,博导,IEEE Fellow,北京航空航天大学微电子学院院长。主持了国家自然科学基金重大仪器项目、核高基国家科技重大专项子课题等项目,获中国电子学会自然科学二等奖。近五年在高水平期刊发表论文200余篇,其中ESI高被引论文7篇,总索引8000余次,H因子51。受邀学术报告 50余次,担任集成电路知名期刊IEEE TCAS-I总主编。

彭守仲,讲师,硕导,北京航空航天大学微电子学院教师。长期从事自旋电子学、微纳器件、磁性材料等方面研究,主持了北航合肥创新研究院科研项目子课题等项目,近五年在Adv. Electron. Mater.、Appl. Phys. Lett.、IEDM等期刊和会议发表论文18篇,被引400余次,一篇论文入选Appl. Phys. Lett. Top Articles in Magnetics and Spintronics。申请发明专利9项,参与编写工信部“十二五”规划教材1部。