双界面STT磁隧道结中通过Dzyaloshinskii-Moriya相互作用调控磁化动力学

摘要

双界面磁隧道结（MTJ）已发展用于增强纳米技术节点的热稳定性势垒。由于采用重金属/铁磁体结构，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）在该器件中不可避免。既往研究表明DMI对常规单界面自旋转移扭矩（STT）MTJ有害。本文证明在双界面STT-MTJ中，DMI的有害效应可被Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用几乎完全抑制。基于理论模型和微磁模拟详细分析了机制。研究强调了在双界面STT-MTJ复合自由层中适当控制DMI的重要性。

引言

磁随机存取存储器（MRAM）因其低功耗、高密度、快速存取、近乎无限寿命和良好CMOS兼容性，成为下一代非易失性存储器的有力候选。MTJ是MRAM的基本单元，由隧道势垒夹两个铁磁层（钉扎层和自由层）组成。受益于垂直各向异性进展，MTJ特征尺寸已缩至40 nm以下甚至1× nm。然而，亚40 nm MTJ面临的挑战是维持足够的热稳定性势垒E = μ₀MₛHₖV/2。随着MTJ缩放，E下降导致数据保持时间缩短。为克服此问题，提出双界面MTJ利用两个耦合铁磁层作为复合自由层，增加等效体积V以增强热稳定性，同时降低阻尼常数以维持低切换电流。

在双界面MTJ中，铁磁体/重金属（FM/HM）结构对优化性能至关重要。一方面，FM/HM结构增强自旋轨道耦合（SOC）诱导垂直各向异性；另一方面，重金属作为间隔层提供RKKY相互作用，铁磁耦合两铁磁层磁化使其表现为单一层。此外，重金属强SOC与铁磁体原子自旋结合可形成反对称交换耦合即DMI。因此，双界面MTJ中FM/HM结构天然诱导DMI。DMI有利于手性磁纹理（自旋螺旋、斯格明子、奈尔型畴壁）并显著影响磁化动力学。双界面MTJ中需同时考虑两个FM/HM界面及额外RKKY相互作用，DMI作用更复杂，揭示其效应极具意义。

本文首次研究DMI和RKKY相互作用下双界面MTJ的切换过程。采用主流STT方式进行数据写入。既往报道DMI对STT切换有害，但我们的结果表明在双界面MTJ中，RKKY相互作用可抑制DMI有害效应，实现快速切换和更均匀动力学，证明了双界面STT-MTJ对负面界面效应的鲁棒性。

方法

研究器件如图1a所示，复合自由层为FM/HM/FM结构。HM层厚度调整至合适值使RKKY相互作用铁磁耦合两FM层。一FM层磁性较软记为FL1，另一较硬记为FL2。施加电流产生STT切换复合自由层磁化。本文仅考虑参考层向FL1传递的STT，忽略FL1与FL2间其他扭矩，该简化模型与前文一致。两个FM/HM和HM/FM界面诱导的DMI因手性相反而符号相反。

利用微磁模拟研究FL1和FL2磁化动力学。单位磁化矢量演化遵循Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程。采用开源微磁模拟工具OOMMF建模求解。方程包含各项有效场：单轴垂直各向异性、6近邻交换能、DMI场、RKKY相互作用、去磁场、偶极相互作用和STT。参数见表1，符合最先进技术水平。DMI幅度参考CoFeB/W/CoFeB复合自由层，实验值0.12-0.73 mJ/m²，模拟扩展至±2 mJ/m²。

RKKY能量定义为Eᵢⱼ = σ[1 - mᵢ·mⱼ]/Δᵢⱼ，σ为双线性表面交换系数，σ>0表示铁磁耦合倾向使磁矩平行。DMI作用于相邻原子自旋S₁、S₂，哈密顿量H_DM = -D₁₂·(S₁×S₂)。DMI破坏自旋均匀性，与RKKY相互作用竞争。

结果与讨论

首先展示典型模拟结果（图1b）。当RKKY足够强（σ=1×10⁻³ J/m²，Case A和B），FL1和FL2耦合，磁化动力学几乎相同，无论是否考虑DMI。但引入DMI会扭曲磁化切换过程（Case B），符合既往报道，归因于DMI反对称交换。若RKKY不够强，FL1和FL2动力学差异显著（Case C）。下文结果均在足够强RKKY下获得。

研究不同RKKY强度下切换速度。切换时间定义为mz到达0的时刻。D₁、D₂设为同值异号。结果见图2。无DMI时切换时间随RKKY增强增加，因更强RKKY使磁化动力学更相干，等效增加复合自由层各向异性。有DMI时切换时间对RKKY强度依赖变得混乱，主要因FL1和FL2各向异性不一致。这证明DMI对双界面MTJ切换行为有不可忽视影响。

深入研究DMI效应（图3）。图3a中D₁、D₂设为同正值（虚拟情况，验证模型）。理论上两正DMI在铁磁耦合RKKY下有害效应累积，切换时间随DMI增大而升，与前文一致，验证模型合理性。图3b中D₁、D₂同值异号，DMI有害效应被缓解，切换时间变化远小于图3a。图3c中通过调节D₁、D₂幅值使t₁D₁+t₂D₂=0，两界面DMI效应可抵消。这可用手性理论解释。

DMI能量表达为E_DM = t∬D[m_x(∂m_z/∂x)-m_z(∂m_x/∂x)+m_y(∂m_z/∂y)-m_z(∂m_y/∂y)]d²r = tDε_DM。足够强RKKY下FL1和FL2动力学几乎相同，ε_DM相同。总DMI能量E_tot = (t₁D₁+t₂D₂)ε_DM。设D₁/D₂ = -t₂/t₁可在大σ下完全抵消DMI效应，符合图3c。图3d进一步验证：改变其他参数但保持抵消条件，结论不变。

定义复合自由层等效DMI幅度D_eq = (t₁D₁+t₂D₂)/(t₁+t₂)，可定量分析DMI效应。图4a展示两组相同D_eq但不同{D₁,D₂}的模拟结果，整体趋势相似，验证DMI对STT切换的有害效应。两曲线微小差异源于FL1、FL2各向异性常数不同导致磁化动力学局部振荡（图4c）。理想情况下设两层各向异性常数相同（图4b,d），两曲线高度吻合，表明D_eq能良好描述双界面MTJ等效DMI效应。

详细分析磁化切换时的能量演化（图5）。FL1和FL2的DMI能量随D₁、D₂符号和幅值累积或抵消，符合理论模型。RKKY能量维持低值，验证两层磁矩同步驱动。图6展示RKKY和DMI场空间分布。情况1：D₁=D₂=0。情况2：D₁=1.5, D₂=-1 mJ/m²（DMI抵消）。情况3：D₁=D₂=1 mJ/m²（DMI累积）。非零DMI时RKKY场显著增强（情况2、3），因其需克服DMI引入的非均匀磁纹理。异号DMI时RKKY场同时抵抗两层DMI场（情况2），削弱DMI使动力学更均匀。同号DMI时RKKY场在一层抵抗DMI、另一层协助DMI（情况3），整体DMI场仍有效应，验证同号DMI无法抵消。

图7展示磁化切换过程微磁构型。所有情况均出现畴壁，但某些时刻特征不同。DMI有利于非均匀磁纹理，但在DMI抵消情况下（Case 2，mz=-0.5时刻）仍形成均匀磁化，再次验证理论模型。同号DMI时动力学更非均匀（Case 3畴壁始终存在）。小尺寸MTJ模拟结果（图7最后两行）显示Case 2与Case 3差异更显著。

结论

全面研究了DMI对双界面STT-MTJ的影响。双界面MTJ旨在增强热稳定性势垒，本文证明其另一优势：抑制DMI有害效应。两铁磁层DMI若配置适当幅值和异号（双界面STT-MTJ结构天然满足），可被抑制甚至抵消。提出理论模型解释，微磁模拟揭示DMI在磁化动力学中的作用。本工作为最小化双界面STT-MTJ中DMI提供了可行路径。

数据与材料可用性

所有数据无限制完全公开。

缩略语

DMI:

Dzyaloshinskii–Moriya相互作用

FL:

自由层

FM/HM:

铁磁体/重金属

MRAM:

磁随机存取存储器

MTJ:

磁隧道结

RKKY:

Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida

SOC:

自旋轨道耦合

STT:

自旋转移扭矩