磁性異質結構中自旋矩引發單向磁阻之研究

Abstract

"磁阻效應 (Magnetoresistance) 描述在不同磁化量方向其縱向電阻的變化。至今為止，磁阻效應被廣泛研究並應用在硬碟 (hard-disk drive) 以及次世代磁阻式隨機存取記憶體 (next-generation magnetoresistive random access memory, MRAM) 上，例如巨磁阻 (GMR) 以及穿隧磁阻效應 (TMR)。近年來，人們發現自旋霍爾效應也能產生磁阻。這些磁阻不僅能用來表徵電荷流—自旋流轉化效率，同時也能用來作為磁性元件的讀取機制。這些磁阻分別為自旋霍爾磁阻 (SMR) 和單向磁阻 (UMR)。自旋霍爾磁阻描述透過吸收或反射自旋霍爾效應感應出的自旋流來造成層膜異質結構的電阻變化，而單向磁阻則是描述來自於自旋相關散射和磁振子-電子散射所造成的電阻變化。雖然單向磁阻可由上述兩種效應解釋，但其理論仍有缺陷。在這篇論文中，我通過施加大範圍的電流與外加磁場進行電流依賴及磁場依賴之單向磁阻量測，發現在鎢鈷鐵硼雙層異質結構中具有很大的單向磁阻值，其值大於過去研究中在室溫的金屬磁性異質結構中所量測到的單向磁阻。我也發現在大電流區間下有額外的機制出現並影響單向磁阻，而此機制與自旋霍爾磁阻一樣，與金屬磁性異質結構的阻尼似自旋矩轉移轉換效率 ( ) 有關。接著我進一步利用宏自旋模擬(macrospin simulation)驗證自旋霍爾感應的自旋矩與單向磁阻的關聯性，其說明了額外的單向磁阻是來自於磁化量的偏移。因此對於此額外的單向磁阻，我暫時將其稱之為自旋矩轉移單向磁阻(STT-UMR)。除此之外，藉由模擬及實驗結果，我可以估算阻尼似自旋矩轉移轉換效率。除此之外，我也進行電致磁化翻轉量測，發現阻尼似自旋矩轉移轉換效率的趨勢與藉由模擬和實驗數據估算出來的值相差不大。因此，我的研究成果說明了單向磁阻與自旋矩轉移之間強烈的關聯性，其對於探討單向電阻的來源以及應用可行性是有幫助的。"