[科普中国]-自旋转移矩

当电流从参考层流向自由层时, 首先获得与参考层磁化方向相同的自旋角动量, 该自旋极化电流进入自由层时, 与自由层的磁化相互作用, 导致自旋极 化电流的横向分量被转移, 由于角动量守恒, 被转移的横向分量将以力矩的形式作用于自由层, 迫使它的磁化方向与参考层接近, 该力矩被称为自旋转移矩。

概述1996年, Slonczewski和Berge从理论上预测了一种被称为自旋转移矩(Spin Transfer Torque, STT) 的纯电学的磁隧道结写入方式，当电流从参考层流向自由层时, 首先获得与参考层磁化方向相同的自旋角动量，该自旋极化电流进入自由层时, 与自由层的磁化相互作用, 导致自旋极化电流的横向分量被转移，由于角动量守恒，被转移的横向分量将以力矩的形式作用于自由层，迫使它的磁化方向与参考层接近, 该力矩被称为自旋转移矩。同理，对于相反方向的电流，参考层对自旋的反射作用使自由层磁化获得相反的力矩, 因此，被写入的磁化状态由电流方向决定。

提出背景MRAM的写入操作通过磁隧道结中自由层的磁化翻转来实现。早期的MRAM直接采用磁场写入方式，磁隧道结置于字线(DigitLine)和位线(Bit Line)的交叉处，字线和位线分别沿着自由层的难磁化轴(Hard-Axis)和易磁化轴(Easy-Axis)方向。写入时，被选中的磁隧道结的字线和位线分别通入电流以产生互相垂直的两个磁场，它们的大小均不足以使自由层完成磁化翻转，但二者能够将彼此方向上的矫顽场(Coercive Field)大小降低至所产生的磁场以下，因此，只有交叉处的磁隧道结能够完成状态的写入。这种写入方式要求位线(或字线)产生的磁场足够大以至于能够有效地减小字线方向上(或位线方向上)的矫顽场, 但同时也要足够小以避免同一条位线(或字线)上的其余磁隧道结被误写入(半选干扰问题, Half-Selectivity Disturbance)，由于工艺偏差的存在，所允许写入的磁场范围非常有限。为解决此问题，Freescale的工程师[23]提出一种被称为Toggle的改进型磁场写入方式，基于这种写入方式的磁隧道结采用合成反铁磁结构(Synthetic Antiferromagnet, SAF)的自由层，若将自由层的难(易)磁化轴与写入磁场呈45°放置，则单独的一个写入磁场无法使自由层完成磁化翻转，从而避免了“半选干扰”问题，也扩展了写入磁场的可操作范围。基于这种Toggle写入方式，Freescale成功推出第一款4 Mb的MRAM商用产品.

原理诠释MS是自由层的饱和磁化强度。其中, 方程右边三项依 次是有效磁场引起的力矩、Gilbert阻尼矩和自旋转移矩, 它们的作用如图1所示, 由图可见, 第一项力矩使磁化向量围绕有效磁场产生进动, 而Gilbert阻尼矩 与自旋转移矩共线, 本图只展示出二者反向的情形, 此时它们互相竞争, 当电流大于一个临界值时, 自旋转移矩能够克服Gilbert阻尼矩从而实现磁化翻转, 该 电流被称为临界翻转电流。

应用发展2000年前后, 自旋转移矩在实验 上被用于实现金属多层膜的磁化翻转。

2004年, 自旋转移矩被成功用于磁隧道结的状态写入。此后, STT-MRAM的研发吸引了越来越多的关注。2005 年, 日本索尼公司首次制备了4 Kbit的STT-MRAM测试片。随后, 东芝公司、Everspin、NEC、海力士、 日立和日本东北大学也分别制备出STT-MRAM样片。

经过十几年的发展, 目前绝大部分的MRAM产品均采 用自旋转移矩方式写入数据, Everspin已向市场推出 了64 Mbit的STT-MRAM商用产品。1

应用优点自旋转移矩依靠电流实现磁化翻转, 写入电流密度大概在106–107 A/cm2之间, 而且写入电流的大小可随工艺尺寸的缩小而减小, 克服了传统磁场写入方式 的缺点, 因而被广泛认为是实现磁隧道结的纯电学写入方式的最佳候选.2

发展前景VCMA联合自旋转移矩可以实现磁隧道结的状态写入, 而且降低了写入电流密度和写入功耗。若将外磁场方向改为面内, 则磁隧道结中的电场可以使自由层的磁化方向在垂直于外磁场的平面内振荡, 通过控制外加电场的时间可以实现无需自旋转移矩的磁化翻转, 从而进一步降低写入功耗。因此, VCMA效应有望被用于设计高速低功耗MRAM。然而, 目前发现的VCMA效应还较 弱, 基于Ta/CoFeB/MgO结构的VCMA系数的典型值与理论预测值100 fJ/Vm还有一定差距。通过改变材料和器件结构来增强VCMA效应仍然是目前的热点研究问题。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学