磁性薄膜NiFe/W中电流诱导自旋-轨道有效场的角度依赖特性研究

• 作 者: 李树发;
• 机 构: 中科院高能所
• 出 处: 第六届海内外中华青年材料科学技术研讨会暨第十五届全国青年材料科学技术研讨会
• 发表日期: 2015年期

　　近年来,自旋-轨道力矩(the spin-orbit torque,SOT)在科学研究与器件应用领域受到越来越多的关注.尽管自旋-轨道力矩依赖于双层薄膜中的主导机制,包含自旋霍尔效应(spin Hall effect)和(或)介面处的Rashba效应,但在典型的铁磁/重金属(ferromagnet/heavy metal,FM/HM)双层薄膜中存在两种类型的自旋-轨道力矩,一个是类场(field like)的自旋-轨道力矩,另一个是类扭矩(torque-like)的自旋-轨道力矩.在探索自旋-轨道力矩机制的众多研究方法中,平面霍尔效应(planar Hall effect,PHE)是研究自旋-轨道力矩特性的简单而有效的实验方法.在PHE实验中,我们发现与外加电流成线性关系的二次PHE电压(the second order PHE voltage ΔVxy)由自旋轨道力矩决定.对自旋-轨道力矩有贡献的另几种效应,例如焦尔热效应和安培定律的奥斯特场(Oserted field),到目前为止并没有得到进一步的研究.在本文,我们利用PHE定量研究磁性薄膜NiFe/W中电流诱导自旋-轨道有效场(current induced spin-orbit effective field)的角度依赖特性,并从实验上首次确定奥斯特场对自旋-轨道力矩的贡献.双层薄膜NiFe(2 nm)/W(5 nm)是利用磁控溅射在热氧化硅晶片中沉积形成的,压强为5× 10-6 Pa；为便于比较,NiFe(2 nm)/Pt(5 nm)在同样条件下制备.所用样品都刻成霍尔条(Hall bar).图1(a)为施加10 mA电流时测量的霍尔电压,并利用Stoner-Wohlfarth模型进行拟合,其中模型中引入电流诱导自旋-轨道有效场.图1(b)中的黑色曲线表示在没有施加外加抵消磁场(cancellation magnetic field,hm=0)时测量的二次PHE电压ΔVxy,其形状与NiFe/Pt中的结果相反,这是因为W与Pt具有相反的自旋霍尔角；施加抵消磁场时的测量结果如图中的红色曲线所示,可明显看到当hm=7.957 A/m时△Vxy曲线消失了,这表明面内有效场hI=-7.957 A/m,其由奥斯特场和电流诱导自旋-轨道有效场hSOF组成.