NiFe/Pt双层薄膜中的自旋霍尔磁阻

李树发，杨 涛，洪 渭，陈春雷



NiFe/Pt双层薄膜中的自旋霍尔磁阻

李树发1,2，杨 涛2，洪 渭1，陈春雷1

（1. 广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088；2. 中国科学院物理研究所，北京 100190）

【目的】研究NiFe/Pt双层薄膜中的自旋霍尔磁阻(SMR)，其中NiFe是铁磁金属导体。【方法】用标准四探针法测量不同Pt层厚度的NiFe/Pt电阻，通过拟合得到Pt层和NiFe层的电阻率；测量NiFe/Pt薄膜纵向磁电阻的磁场依赖特性。【结果】Pt层电阻率远小于NiFe层电阻率，表明电流几乎仅在Pt层流通。此外，界面处的自旋混合电导及纵向电阻R的磁场角度依赖特性进一步表明R由SMR主导，没有各向异磁阻（AMR）的贡献。分别在，和轴施加磁场均观测到SMR，但是SMR的磁阻率不同，最大约为0.1%。不同磁场下SMR的角度依赖特性表明SMR可由小磁场控制。【结论】基于SMR的新型磁阻传感器可用于海洋科学技术中磁场信息探测。

自旋霍尔磁阻；霍尔探测系统；NiFe/Pt

海洋科学技术的快速发展对海洋测试技术提出了更高要求。传感器是获取各种信息的最重要技术手段之一，其中磁阻传感器是一种基于磁阻效应的新型传感器。所谓磁阻效应，即磁性金属材料的电阻依赖于磁化强度变化，如各向异性磁阻（AMR）[1]、巨磁阻（GMR）[2-3]和隧穿磁阻（TMR）[4-5]。磁阻传感器就是利用磁阻效应，通过测量电阻变化确定磁场强度、方向，进而确定载体的角度、位置和位移等信息，有尺寸小、方便集成、灵敏度高、抗干扰性好、可靠性高、成本低等特点[4]，广泛应用于船舶导航控制[6-7]、海洋地磁场测量[8]及海洋浮标[9-10]等海洋测试方面。

基于AMR、GMR和TMR磁阻效应的磁阻传感器需电流在金属磁体中的流通来实现[1-5]，这会导致明显的层内散射。当前发现了一种全新的磁阻效应，电流毋需通过磁体材料亦可实现电阻依赖于磁化强度、方向而变化。该全新磁电阻叫作自旋霍尔磁阻（spin Hall magnetoresistance）[11]，是基于自旋霍尔效应（spin Hall effect）和逆自旋霍尔效应（inverse spin Hall effect）实现的。在铁磁/重金属双层薄膜中通过电流时，重金属层的强自旋-轨道耦合作用产生自旋霍尔效应，使电荷流产生垂直于膜面的自旋流。当这个净自旋流流向铁磁层与重金属层的界面时，如果自旋流的自旋极化方向与铁磁层中磁矩方向共线，自旋流反射并流回重金属层。重金属层的逆自旋霍尔效应使自旋流产生与原电流方向相同的电荷流，重金属层处于低阻态；如果自旋流的自旋极化方向与铁磁层中磁矩方向垂直，自旋流被铁磁体吸收，仅极小部分自旋流反射回重金属层，由逆自旋霍尔效应产生的电荷流极小，导致重金属层处于高阻态。可见，自旋霍尔磁阻受铁磁层磁矩的控制。然而，在铁磁金属材料中SMR通常小于AMR[1]。为避免AMR的干扰，当前通常采有绝缘铁磁体或反铁磁体作为铁磁层研究SMR的特性[12-15]，因为施加电流并不会流过绝缘铁磁层，即不产生AMR，但SMR磁阻率很低。有报道提出可利用铁磁金属导体作为FM层，如CoFeB[16]，可提高SMR磁阻率。但CoFeB与Pt、W具有可比拟的电阻率[16-17]。于是施加电流时，在CoFeB与Pt、W层均有电流分布，不仅会产生AMR[17]，还可能引起其他磁阻效应，影响SMR的准确测量以及对其磁场特性的正确认识。此外，为提高SMR的磁阻率，通常需施加磁感应强度1 T左右或以上的磁场[16-17]，对SMR型磁阻传感器用于探测海洋测试技术中的磁场信息不利。

本文采用软磁金属NiFe作为铁磁层，利用四探针法研究NiFe/Pt双层薄膜的自旋霍尔磁阻。实验测量不同Pt层厚度的NiFe/Pt电阻，并拟合得到Pt层电阻率远小于NiFe层电阻率，表明电流仅在Pt层流通而不流过NIiFe层。于是纵向磁电阻R主要由SMR主导，无AMR的贡献。这被NiFe/Pt界面处的自旋混合电导和R的磁场角度依赖特性进一步证实。分别在，和轴施加磁场均可观测到SMR，但磁阻率不同。磁场施加在轴时磁阻率最大，约0.1%。不同磁场下R的角度依赖特性表明SMR可由小磁场控制。基于SMR的磁阻传感器将来可用于探测海洋科学技术中的磁场信息。

1 材料与方法

利用磁控溅射在SiO2/Si上沉积不同Pt厚度的NiFe/Pt双层薄膜，背底真空为5×10-6Pa。NiFe层厚度固定为2.2 nm，Pt层厚度分别为2、3、4、5、6、8 nm。使用Ar作为溅射气体，溅射气体压强为0.4 Pa。利用X射线反射仪（XRR, Brucker D8）鉴定层的厚度。XRR曲线反映的是薄膜上下界面的反射光束干涉产生的干涉条纹，其周期随薄膜厚度的变化关系可由Bragg公式sin2= (/ 2)2+ 2表示，实验中利用theta/two theta扫描测量XRR衍射强度随入射角的关系，然后采用leptos软件拟合反射曲线获取薄膜的厚度参数[18]。样品光刻成霍尔杆（Hall bar），宽度为1 mm，长度为10 mm。在传统霍尔探测系统中搭配高分辨率万用表（Keithley@6220 和2182A），利用标准四探针法测量NiFe/Pt双层薄膜的纵向磁电阻R，0.5 mA的直流电流施加在轴方向，如图1所示。所有实验均在室温下进行。

图1 霍尔测量系统示意

2 结果与讨论

2.1 NiFe/Pt的电阻测量

在图1中不施加磁场时，测量的R即为NiFe/Pt双层薄膜的普通电阻。不同Pt层厚度NiFe/Pt样品的电阻如图2所示，电阻值随着Pt层厚度的增大而减小。这是因为Pt层厚度越大，Pt层的电阻越小，因而NiFe/Pt样品总的电阻也越小。NiFe/Pt样品的电阻可看成是NiFe层电阻与Pt层电阻的并联。NiFe/Pt电阻与NiFe层电阻率NiFe、Pt层电阻率Pt的关系如下[19]，

其中，NiFe和Pt分别为NiFe和Pt的厚度。利用公式（1）对图2的数据进行拟合，可得NiFe、Pt的电阻率分别为790.35、66.24 μΩ·cm。可见，Pt的电阻率远小于NiFe的电阻率，即使在最小Pt厚度的NiFe（2.2）/Pt（2）样品中，Pt层电阻也远小于NiFe电阻。因而，实验中施加的直流电流几乎全部分布在重金属Pt层内，而未流过NiFe铁磁层。于是实验测量的磁电阻R几无AMR的贡献。

实线为拟合结果Solid line is the fitting curve

2.2 NiFe/Pt中SMR对磁场大小的依赖关系

施加磁场后，NiFe（2.2）/Pt（2）的纵向电阻R随磁场大小的关系见图3 –5。当磁场施加在轴方向时，测量结果如图3所示。最明显的结果是观察到正磁阻，即不加磁场时R最小，而增大磁场时R变大。在施加磁场范围内，R变化值约为0.2 Ω，相应于磁阻率为6.0×10-2%。当磁场施加在轴时，观测的是负磁阻（图4），即不加磁场时xx最大，增大磁场时R变小，磁阻率约为-1×10-1%，大于铁磁绝缘体和反铁磁体FM/HM的SMR磁阻率[16,17]。当磁场施加在轴时，观测的是正磁阻（图5），磁阻率约为6.6×10-2%。可见，磁场施加在不同方向的磁阻率是有差别的。在轴时施加磁场时磁阻率最大，在和轴施加磁场时磁阻率基本相同。

扫描磁场大小时，R随磁场施加方向不同而变化的关系表明，NiFe/Pt的磁阻与磁矩取向有关。在NiFe/Pt中施加电流后，电流仅在Pt层流通，由于自旋霍尔效应，不同自旋取向的电子分别向轴正方向和负方向移动，产生自旋极化取向垂直于电流方向的自旋流。自旋流传到界面附近时，如自旋极化取向与NiFe层磁矩共线（磁场施加在轴），由于不存在自旋转移力矩的吸收，绝大部分自旋反射并流回Pt层。由于逆自旋霍尔效应，Pt层反方向的自旋流将产生与之前电流同向的额外电荷流，从而导致Pt层处于低阻态（图4）。

图3 磁场H施加在x轴时NiFe(2.2)/Pt(2)磁电阻Rxx的磁场依赖关系

图4 磁场H施加在y轴时NiFe(2.2)/Pt(2)磁电阻Rxx的磁场依赖关系

图5 磁场H施加在z轴时NiFe(2.2)/Pt(2)磁电阻Rxx的磁场依赖关系

当磁场施加在和轴时，NiFe的磁矩随磁场旋转到和方向，与界面处自旋流的自旋极化取向垂直，自旋转移力矩效应导致大部分自旋被吸收，仅极小部分自旋流反射回Pt层，从而在Pt层形成高阻态（图4、5）。尽管几无电子进入NiFe铁磁层内，Pt层电阻的变化仍可反映Pt层电子自旋与NiFe层磁矩的关系。考虑自旋流以后，实验测量的磁电阻R即自旋霍尔磁阻，其依赖于自旋极化取向与磁矩方向的关系。磁场施加在轴时磁阻率最大，说明NiFe层磁矩在这个方向最容易被磁化。

铁磁/重金属双层薄膜中SMR的数值通常与界面处的自旋混合电导有关。SMR变化值Δ与界面处的自旋混合电导↓↑的关系可表示为[17]，

式中SH= 0.0648为Pt的自旋霍尔角[11]，0、、、N分别表示重金属层的电阻率、电导，自旋扩散长度和厚度。其中，Pt的自旋扩散长度= 1.31 nm[17]。对于NiFe（2.2）/Pt（2），利用式（2）算得↓↑= 2.25×1017m-2，这与SMO/Pt界面处的自旋混合电导可比拟[20]，说明在NiFe（2.2）/Pt（2）界面处存在明显的自旋依赖电导，且在界面处建立起自旋电流探测的可靠性。

2.3 NiFe/Pt中SMR对磁场角度的依赖关系

将从纵向磁电阻R的磁场角度依赖关系区分SMR与AMR，进一步确认NiFe/Pt中测量的纵向磁电阻与AMR无关。AMR与SMR对磁场角度的依赖特性有很大差别：AMR主要由电流与磁矩的夹角进行控制，而SMR依赖于自旋极化取向与磁矩的夹角。在纵向磁电阻测量中，SMR电阻率的变化由下式表示[11]，

而AMR电阻率的变化却表示为[11]

其中ΔA=∥－⊥，∥与⊥分别为磁矩取向平行和垂直于电流方向时的纵向电阻率。从（3）与（4）式可见，AMR依赖于磁矩的分量m，而SMR依赖于分量m。在进行磁场角度扫描时将会看到SMR与AMR的明显差别。

在测量NiFe（2.2）/Pt（2）样品纵向磁电阻R对磁场角度的依赖关系时，固定磁感应强度为100、26、6 mT，分别在面（扫描）、面（扫描）和面（扫描）旋转磁场方向，测量结果见图6。

(a):角表示磁场在平面内旋转时与轴的夹角；(b):角表示磁场在平面内旋转时与轴的夹角；(c):角表示磁场在平面内旋转时与轴的夹角；所有、和扫描时施加磁感应强度分别为100、26、6 mT

in (a) is the angle between magnetic field andaxis as magnetic field rotates inplane;in (b) is the angle between magnetic field andaxis as magnetic field rotates inplane;in (c) is the angle between magnetic field andaxis as magnetic field rotates inplane; The,andcurves are all measured under the magnetic filed 100, 26 and 6 mT, respectively.

图6 NiFe(2.2)/Pt(2)薄膜磁电阻R的磁场角度依赖关系

Fig. 6 magnetic angular-dependent magnetoresistanceRof NiFe(2.2)/Pt(2) film

和扫描曲线的周期为180°，显示出cos2和cos2的依赖关系如图6（a）和（b）所示。当角度为0° 和180° 时R最大，因为Pt层自旋流的自旋极化取向垂直于NiFe层磁矩的方向；而角度为90° 和270° 时R最小，因为Pt层自旋流的自旋极化取向与NiFe层磁矩的方向平行。仔细观察扫描曲线，发现在90° 和270° 时R变化比较平缓，而在0° 和180° 时变化尖锐，说明NiFe磁矩更趋向于在面内分布，而不是离面分布。xx对磁场角度的依赖关系并不随磁场的减小而显著减小，6 mT的小磁场足以驱动NiFe层磁矩的变化，这是NiFe层软磁特性的体现。这不同于反铁磁/重金属双层薄膜和CoFeB/Pt或CoFeB/W观测SMR时需施加1 T左右或以上的磁场[16-17]。此外，根据式（3），扫描时SMR并不会随磁场方向改变，因为NiFe层磁矩的方向相对于Pt层自旋流的自旋极化取向是不变的。如图6（c）所示，R几乎不随角度变化，这类似于YIG/Pt、SMO/Pt的扫描结果[13,20]。虽然R的角度依赖特性消失，但是在0° 和180° 时R具有尖锐的谷值，因为NiFe层磁矩的突然面内重新取向。

3 结论

实验测量不同Pt层厚度下NiFe/Pt的电阻，经拟合，重金属Pt层电阻率远小于铁磁金属NiFe层电阻率，表明实验中施加的电流几未流过NiFe层。因此，纵向磁电阻R主要由SMR主导，无AMR的贡献。界面处的自旋混合电导及R的扫描特性进一步证实这一结果。在、和轴分别施加磁场时，均观测到SMR，但磁阻率却不同，最大约0.1%。不同磁场下R的角度依赖特性表明SMR可由小磁场控制。本实验利用软磁金属/重金属双层薄膜实现了较为纯净的SMR，并且在小磁场下也有较为可观的磁阻率，这对丰富SMR的材料来源及提高磁阻率具有实验指导价值。基于SMR的磁场依赖特性，SMR磁阻效应可用于制作新型磁阻传感器并用来探测海洋科学技术中的微弱磁场。但是也应意识到，现有SMR的磁阻率还不高，不足以用作高灵敏度的测试，必须加强基础研究，继续探索提高SMR磁阻率的方法。

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Investigation on Spin Hall Magnetoresistance of NiFe/Pt Bilayer Films

LI Shu-fa1,2, YANG Tao2, HONG Wei1, CHEN Chun-lei1

（1.,,524088,; 2.,,100190,）

【Objective】The spin Hall magentoresistance (SMR) was studied in NiFe/Pt bilayers, where NiFe is a ferromagnetic metal.【Methods】The Pt thickness dependence of resistance of NiFe/Pt was measured by the standard four-point Hall probing system, and the resistivity of Pt and NiFe layers was obtained with the fitting. Subsequently, the magnetic field dependent longitudinal magentoresistance of NiFe/Pt bilayer was measured. 【Results】The resistivity of Pt layer was much smaller than that of the NiFe layer, which indicates that all the current only follows in Pt layer. In addition, both the spin-mixing conductance at the interface and angular dependence of the longitudinal resistanceRfurther indicate thatRis dominated by SMR without the contribution of anisotropic magnetoresistance. SMR can be observed under the external field applied in,andaxes, respectively. However, the magnetoresistance ratio is different among them, and the maximum difference is about 0.1%. The angular dependent SMR in the NiFe/Pt bilayer under various magnetic fields indicates that SMR can be controlled by a small magnetic field. 【Conclusion】The results of this study indicates that the SMR-based magentoresistive sensor could be used for the detection of magnetic fields in marine science and technology.

spin Hall magnetoresistance; Hall probing system; NiFe/Pt

O469; O484.3

A

1673-9159（2019）04-0096-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.04.014

2019-05-28

广东省自然科学基金(2015A030310003)；广东海洋大学“南海青年学者”计划

李树发（1986―），男，博士，主要从事磁性薄膜中超快动力学、磁阻输运及磁阻传感器研究。E-mail: lishufa310@163.com

李树发，杨涛，洪渭，等. NiFe/Pt双层薄膜中的自旋霍尔磁阻[J]. 广东海洋大学学报，2019，39（4）：96-100.

（责任编辑：刘庆颖）