垂直磁化Pt/Co/Ta竞速道中自旋轨道扭矩驱动畴壁动力学与倾斜

摘要

本文研究碳中间层插入对Pt/Co/Ta竞速道中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）、电流驱动畴壁（DW）速度及倾斜的影响。磁光克尔显微镜揭示：DMI强度主要由Pt/Co界面决定，Pt/Co/Ta与Pt/Co/C/Ta堆叠相近。Pt/Co/Ta中畴壁在几MA/cm²电流密度下达数十m/s速度，而Pt/Co/C/Ta需约双倍电流达相当速度，凸显自旋轨道扭矩（SOT）效率与钉扎势垒的影响。相比场驱动畴壁运动（FIDWM），相同有效场下电流驱动速度大~10³倍，表明焦耳热显著贡献。且观测到显著电流诱导畴壁倾斜（FIDWM中无），凸显厄尔斯特场作用。结果为高效基于SOT的竞速道存储器设计提供洞见。

研究背景

电流驱动磁畴壁运动（CIDWM）是下一代竞速道存储器关键机制。早期研究聚焦平面各向异性铁磁体（FMs），自旋转移扭矩（STT）驱动畴壁。后在垂直磁各向异性（PMA）系统演示CIDWM，但畴壁传播方向有时与STT预测矛盾。重金属（HM）/铁磁体双层中，自旋霍尔效应（SHE）和/或拉什巴效应产生的自旋轨道扭矩（SOTs）与界面DMI产生手性畴壁，沿电流方向运动。提升CIDWM效率需大自旋霍尔角（θ_SH）HM层与精细界面工程。多种策略——厚度调控、界面修饰、结晶度控制、氧掺杂——用于最大化θ_SH与有效SOT效率。HM/FM/HM三层结构中两个HM层贡献相反符号θ_SH，可进一步增强净扭矩。DMI强度也随结构修饰而变，影响畴壁速度与倾斜行为。近期模型预测DMI与钉扎图共同决定电流下畴壁倾斜程度。

前期工作考察了在Pt/Co/Ta堆叠中Co与Ta间插入薄碳（C）层的效应，观察到各向异性、翻转场、SOT有效场变化。本文延伸研究电流驱动畴壁运动与倾斜，量化C插入对微尺度Pt/Co/Ta竞速道中DMI、钉扎势、SOT效率的影响。

方法

两种膜堆叠——Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.6 nm)/Ta(5 nm)与Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.6 nm)/C(2 nm)/Ta(5 nm)——在室温下用直流磁控溅射（基压<4.0×10⁻⁵ Pa）沉积于康宁玻璃。底Ta作种子层，顶Ta暴露空气后形成~1.5 nm TaO_x封盖层。光刻与Ar离子刻蚀制成8.5 µm与3.0 µm宽竞速道。同宽霍尔棒测量不同面向偏置场（H_x）下垂直场（H_z）依赖的反常霍尔电阻（R_Hall）。提取R_Hall-H_z回线位移（H_SHE）量化SOT效率χ=H_SHE/J。极化克尔显微镜室温监测施加场或电流脉冲下畴壁运动。

结果与讨论

利用手性奈尔畴壁模型，先从反常霍尔测量确定DMI与SOT参数。Pt/Co/Ta与Pt/Co/C/Ta有效DMI场（H_DMI）分别~1370 Oe与~1055 Oe；饱和SOT效率χ^sat分别为10.0与8.3 Oe/(10⁶ A/cm²)。C修饰堆叠χ^sat轻微降低，可能反映界面自旋翻转散射增加。计算DMI交换常数|D|分别为1.01±0.16与1.15±0.14 mJ/m²，表明Pt/Co界面在两堆叠中均主导DMI。因H_DMI/H_K<2/π，奈尔畴壁特性稳定，CIDWM实验证实。

场驱动畴壁速度在垂直磁脉冲下测量。两堆叠均呈蠕变依赖v∝exp[−(U_c/k_BT)(H_dep/H)^1/4]。钉扎场H_dep在C修饰堆叠中约为Pt/Co/Ta两倍，斜率参数s更大（37.4 vs 76.5 Oe^1/4），确证更高钉扎势。畴图像显示Pt/Co/C/Ta畴壁形状更不规则，符合非均匀钉扎图景。

随即研究电流驱动畴壁运动。畴壁速度随电流密度增大，但Pt/Co/C/Ta达同等速度需约双倍电流密度，反映SOT效率降低与钉扎增强。值得注意的是，CIDWM速度比等效磁场驱动大~10³倍，凸显焦耳热与可能的厄尔斯特场影响。大电流（±19.2 MA/cm²）下观测到速度降低、成核位点增加、畴壁倾斜改变，暗示热激活过程与重塑钉扎图景。

畴壁倾斜仅在电流驱动下出现。倾斜角ψ随电流密度近似线性增长，两堆叠一致，符合近期理论预测。场驱动实验无倾斜，暗示电流产生的厄尔斯特场起关键作用。计算厄尔斯特场（最大电流下Pt/Co/Ta~19.6 Oe，Pt/Co/C/Ta~37.4 Oe）与H_SHE相当，且在竞速道特定位置同向作用，畴壁经历非均匀有效场，形成梯形畴结构。面向偏置场（H_x、H_y）改变畴壁手性及H_SHE与H_Oersted相对强度，进一步影响倾斜与畴扩展。

结论

本文证实Pt/Co/Ta与Pt/Co/C/Ta竞速道中畴壁运动与倾斜深受SOT效率、钉扎势、焦耳热、厄尔斯特场影响。DMI强度（~1 mJ/m²）由Pt/Co界面主导，C插入适度降低SOT效率并增加钉扎。电流驱动畴壁速度在几MA/cm²达数十m/s，但显著厄尔斯特场会扭曲畴形状，可能限制实际竞速道存储器设计。这些洞见指导优化基于SOT的竞速道畴壁动力学工程。

缩略语

CIDWM

电流驱动畴壁运动

DMI

Dzyaloshinskii-Moriya相互作用

D-U

Down-to-up

DW

畴壁

FIDWM

场驱动畴壁运动

FMs

铁磁体

HM

重金属

PMA

垂直磁各向异性

SOT

自旋轨道扭矩

STT

自旋转移扭矩

U-D

Up-to-down