声表面波辅助亚铁磁CoTb薄膜中磁畴壁移动

郑文慧，边肖南，蔺 涛，曹 洋, 苏 丹，孙一铭，杨德政，阎照文，雷 娜

(1. 北京航空航天大学集成电路科学与工程学院，北京 100191)(2. 北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191)(3. 兰州大学 磁学与磁性材料教育部重点实验室，兰州 730000)

1 前 言

随着互联网、大数据和人工智能的爆炸式发展及应用，人们对信息存储容量和性能的要求日益提高，传统的存储器愈发难以满足需求。基于电子自旋属性的新型自旋存储器具有非易失性、高速度、低功耗等诸多优良特性，成为科研界和产业界关注的焦点。其中，2008年Parkin等[1]提出的赛道结构自旋存储器(racetrack memory，RM)可以实现三维高集成度，具备高存储密度的优点，迅速成为自旋电子学研究的热点。赛道存储器中数据信息的传输是通过施加电流驱动磁畴壁移动而实现的，可以通过电流的自旋转移矩(spin-transfer torque，STT)[2, 3]和自旋轨道矩(spin-orbit torque，SOT)[4]两种不同的物理效应而实现。但电流驱动均伴随着焦耳热，由此带来的散热和能量耗散问题不可避免，极大地限制了电流驱动方式的应用。因此，探索并实现低功耗的磁畴壁驱动方式是赛道存储器发展的关键。

电压驱动磁畴壁移动被认为是一种高效且低功耗的数据传输方法[5]。在铁电/铁磁复合多铁体系中，铁电层逆压电效应产生的应变传递给铁磁层，进而可以有效调控其磁畴壁移动。如将磁性纳米线与压电微米线相耦合，利用局域电压产生的局部应变，可以有效地钉扎磁畴壁[6]。但静态应力仅可以控制磁畴壁的位置，难以高效驱动磁畴壁连续移动，而且在不同的器件位置需要分布大量的电触点，增加了器件制作的复杂性[7]。为克服这些不足，近年来研究者们开始尝试使用动态应力——声表面波(surface acoustic wave，SAW)来操控磁性样品的磁化动力学行为。2010年，Davis等[8]发现SAW传输过程中产生的动态应力可以转动Co磁性纳米颗粒的磁化易轴方向，揭示了SAW在快速磁化翻转上应用的可能。2016年，Thevenard等[9, 10]在具有垂直磁各向异性的稀磁半导体(Ga, Mn)(As, P)中实现了SAW诱导的磁矩进动以及矫顽场的显著降低；之后又在具有面内磁各向异性的稀磁半导体中实现了由SAW辅助的零场磁化翻转[11]。对于SAW驱动磁畴壁移动的研究，Dean等[12]通过仿真模拟验证了通过SAW调控磁纳米线中磁畴壁移动的可能性。近期实验在铁磁多层膜体系中已实现SAW辅助磁畴壁的移动，且远远大于纯磁场驱动下的磁畴壁速率[13, 14]。

SAW通过磁弹效应改变材料的磁矩取向[15]，因此材料的磁弹系数越大，SAW驱动磁畴运动的效率将越高。有文章指出，稀土(rare-earth，RE)元素具有较大的轨道磁矩以及磁弹系数[16]，在其与过渡金属(transition metal，TM)构成的RE-TM亚铁磁薄膜材料中，由于RE元素的贡献，该体系也具有高磁弹特性[16, 17]，预期具有高的SAW驱动效率。另一方面，在RE-TM亚铁磁薄膜中，过渡元素与RE元素的磁矩相互抵消[18]，在磁矩和角动量补偿点附近，该薄膜具有低磁化强度和快速的自旋动力学特性[19， 20]。已有实验表明，在亚铁磁体系中电流驱动磁畴壁移动具有较高的效率[21-24]，且在其角动量补偿点附近获得最快5.7 km/s的磁畴壁移动速率[23]。因此，基于RE-TM亚铁磁薄膜材料来开展SAW驱动磁畴壁移动的研究，因其高磁弹系数、快速自旋动力学特性的显著优点，有望实现更高效率以及更快速率的磁畴壁移动。

本工作以一种具有垂直磁各向异性的RE-TM薄膜材料——CoTb薄膜为研究对象，利用SAW驱动该亚铁磁性薄膜中的磁畴壁移动。通过系统地改变频率和幅值，研究SAW对CoTb薄膜矫顽场以及磁畴壁移动速率的调控效应。探究了SAW驱动亚铁磁畴壁移动的可能性，期望在亚铁磁体系下，实现低功耗且快速的磁畴壁驱动。

2 方法与原理

本工作利用磁控溅射在128°Y-XLiNbO3三方晶体衬底上生长具有垂直磁各向异性的CoTb亚铁磁性薄膜，结构为LiNbO3/Ta(3 nm)/Pt(3 nm)/CoTb(2 nm)/Pt(3 nm)。磁控溅射本底气压为6.7×10-6Pa，工作气压为0.15 Pa，Co，Tb生长功率分别为60和18 W,经计算得到其组分为Co86.6Tb13.4。Hall bar及叉指电极(interdigital transducer，IDT)器件由光刻、氩离子束刻蚀等工艺制成，如图1a所示。IDT的指宽a与指间距b均为7 μm，得到SAW的波长为λ=2(a+b)=28 μm。每个IDT均有40对叉指，孔径长度w=1820 μm，两个IDT之间的距离为3660 μm。利用磁光克尔效应(magneto-optical Kerr effect, MOKE)测得CoTb Hall bar的磁滞回线，如图1b所示，其中横坐标Hz表示外加z方向的磁场。

当给一端IDT通入射频信号时，交叉排列的电极分别通入正负交替的电压，高速震荡的电场通过衬底的逆压电效应产生SAW，SAW沿x方向传播经过Hall bar，并到达另一端电极，将声波信号转为电压信号输出。使用矢量网络分析仪(vector network analyzer, VNA)测得SAW的频谱如图1c所示，S11为反射频谱，S21为传输频谱。从图中可见S11和S21在中心频率f0=141 MHz处有一个明显的谱峰，已知SAW波长λ=28 μm，可得其传播速率v=λ·f0=3948 m/s，这与128°Y-XLiNbO3晶体中SAW的传播速率相符合[25]，由此说明设计的IDT器件有效激发了SAW的产生[13]。

图1 声表面波器件与Hall bar器件结构示意图，薄膜材料结构为Pt(3 nm)/CoTb(2 nm)/Pt(3 nm)/Ta(3 nm)(a);通过磁光克尔效应测得的CoTb Hall bar磁滞回线(b);声表面波的反射(S11)和传输(S21)频谱(c)

3 结果与分析

利用MOKE测量了亚铁磁CoTb在施加SAW后磁滞回线的变化,如图2a所示。在施加SAW的功率为25 dBm(3.976 V)的情况下，CoTb的矫顽场Hc降低，其减小幅度依赖于SAW的频率，如图2b所示。在SAW的中心频率141 MHz处的矫顽场变化量|ΔHc|最大，为10.2 Oe。这种SAW调控矫顽场的效应在FeGa[26]、(Ga, Mn)(As, P)[10]以及Co/Pt多层膜[13]中均有发现，而且在后两者中也呈现了类似的频率共振特性。其原因为，在共振频率处，SAW产生的动态应力降低了CoTb薄膜磁化翻转的能量势垒，从而导致了矫顽场的减弱[10]。矫顽场变化的极大值与SAW共振峰都出现在141 MHz，这种频谱变化趋势的一致性可以证明矫顽场的降低来源于SAW，而不是微波的寄生效应[27, 28]。此外，利用红外成像测温仪测量了Hall bar的温度变化，其测量误差在±2 ℃以内，测得在SAW共振频率处Hall bar温度由室温(26.5 ℃)升至32 ℃，这对样品磁性的影响可以忽略不计。综上所述，通过排除微波和热效应的影响，可得知SAW是矫顽场降低的主要原因。

图2 利用磁光克尔效应测得的在不同频率射频信号下Hall bar的磁滞回线，叉指电极输入功率均为25 dBm(3.976 V)(a)；矫顽场变化量绝对值|ΔHc|随施加射频信号频率变化曲线(b)；在实验得到的中心频率(141 MHz)下，传播场Hp、成核场Hn随施加射频信号电压的变化(c)

磁化翻转的微观过程包含磁畴的成核与磁畴壁传播。为了研究SAW调控CoTb薄膜矫顽场的物理机理，进一步分析了磁畴成核场Hn以及传播场Hp与施加射频信号电压值的关系。在图2a中标记了Hp、Hn在磁滞回线中选取点的位置，Hp取自磁化强度为零时的磁场即Hc，为磁畴壁传播的平均场；Hn取自磁化翻转的临界拐点，即为磁畴的成核场。由图2c可知，当施加于IDT的射频信号的幅值约为0.6 V时，Hn出现显著减小，后随幅值进一步增大而趋于平缓。因此，仅当电压达到阈值后，磁畴才可成核，这一现象与文献报道结果相一致[10]。而Hp在SAW达到应变阈值之后，呈线性减小，后趋于缓和。由此可以看到在SAW作用下，Hp与Hn随电压的变化关系存在差异，但都在达到阈值电压后随着电压的升高而持续减小。

通过磁畴观测进一步分析了SAW对磁化翻转微观过程的影响。在同一块磁性薄膜上，加工了一系列不同尺寸的IDT，并用于磁畴的测量。如图3所示的器件，使用VNA测得其中心频率为130 MHz。磁畴的观察使用空间分辨率为0.195×0.195 μm2/pixel的极向克尔显微镜。首先对样品进行正向饱和磁化，后施加略大于样品成核场的反向脉冲磁场，使磁畴壁保持蠕动行为。分别测量了在未加(图中左列)和外加SAW(右列)条件下，磁场驱动的磁畴壁移动，如图3所示。图中用黄色虚线标记了磁畴壁所在位置，其移动同SAW传播方向一致，均沿+x方向。通过左右两列对比可见，施加单一磁场脉冲，SAW辅助下比单纯磁场驱动的磁畴壁移动距离更远。通过将磁畴壁移动的距离和时间进行线性拟合，可得出在没有SAW辅助的情况下磁畴壁移动速率约为2092 μm/s，SAW辅助下的磁畴壁移动速率约为3683 μm/s，提高了约76%。由此，SAW可以显著提高CoTb薄膜的磁畴壁移动速率。

图3 克尔显微镜下观测的未施加声表面波(左)与施加声表面波(右)下磁畴壁移动对比图。施加射频信号的功率为25 dBm，频率为130 MHz，垂直方向的脉冲磁场为90 Oe，脉宽为26 ms。单个磁场脉冲下，施加声表面波的磁畴壁移动距离约为89 μm，未施加声表面波的磁畴壁移动距离约为57 μm

图4a为在IDT施加25 dBm射频功率，施加不同频率SAW和未施加SAW的条件下，磁畴壁移动距离(L)和时间(t)的关系，如图4c所示，进一步拟合可得到其移动速率。在有SAW辅助的情况下，磁畴壁移动速率明显提高。将磁畴壁移动速率与SAW频率的关系绘制成曲线，如图4b所示，可知在SAW的中心频率处，磁畴壁移动速率达到最大，这与前文SAW降低CoTb薄膜矫顽场的行为相吻合。在SAW的中心频率下，施加不同电压的射频信号，得到如图4d所示电压和磁畴壁速率的关系，经线性拟合后得到磁畴壁移动速率与电压成正比。结合SAW的应变幅值与射频信号的电压值成正比[10]，可知CoTb薄膜磁畴壁移动速率同SAW的应变幅值成正比。此前，在驻波中测得Co/Pt多层膜体系中矫顽场及磁畴壁移动速率同电压成正比[13]。而在行波中，对以成核为主的磁化翻转过程进行理论分析，得出在SAW行波达到阈值功率后，(Ga, Mn)(As, P)矫顽场的降低同SAW功率呈线性关系[10]。本工作激发的是SAW行波，得到的磁畴壁移动速率变化趋势同驻波下的实验结果相近，对于此结果，作者猜测是由于器件的反射在IDT之间产生了行驻波，此猜想仍需进行进一步的实验验证。SAW工作在中心频率且磁畴壁保持在蠕动行为时，施加25 dBm射频信号，由频谱估算得实际作用电压为3.5 V，由此得到最快磁畴壁移动速率为3683 μm/s；同样情况下，[Co/Pd]2/Py体系施加15 dBm射频信号，电压约为0.94 V，最快磁畴壁移动速率为172 μm/s[14]；而Co/Pt多层膜体系施加30 dBm射频信号，电压约为5.12 V，得到磁畴壁移动速率最快为50 μm/s[13]。与之相较，本文CoTb薄膜体系中SAW辅助驱动磁畴壁的移动速率具有明显的优势。

图4 未施加声表面波以及施加各种不同频率声表面波(25 dBm)条件下，磁畴壁移动距离与时间的关系(a)；磁畴壁移动速率与声表面波频率的关系(b)；未加声表面波以及施加130 MHz不同电压的声表面波条件下，磁畴壁移动距离和时间的关系(c)；磁畴壁移动速率与施加射频电压的关系，插图：磁畴壁移动速率与施加射频功率的关系(d)

利用SAW辅助CoTb薄膜的磁畴壁移动，其物理原理为SAW产生动态应变调控材料体系的垂直磁各向异性。由于逆磁致伸缩效应，SAW行驻波改变了CoTb薄膜的磁弹性能，有效的磁弹性能(UME)[8]为：

(1)

其中,B1=B2=24×106N/m2，为CoTb薄膜的磁弹系数(magneto-elastic coefficient)[16],ai为磁化强度的方向余弦，εxy、εxz为切向应力，εxx为纵向应力，由于CoTb薄膜厚度为4 nm，远小于SAW的波长λ，SAW产生的切向应变作用贡献很小，因此主要考虑纵向应变，上式可以简化为[13]：

UME=B1εxxax2

(2)

由此得到作用在磁畴壁上有效瞬时压力(FME)为[29]：

(3)

4 结 论

本工作将声表面波(SAW)作用于亚铁磁性CoTb薄膜，观测并确认了SAW降低CoTb薄膜矫顽场以及辅助驱动磁畴壁移动的作用，且在SAW的中心频率处，得到最快的磁畴壁移动速率为3683 μm/s。此外，在亚铁磁体系下，利用SAW辅助驱动的快速磁畴壁移动，为实现低功耗目标的自旋存储器件提供了一种新的方案。在此基础上，未来通过提高磁弹耦合系数改进SAW器件效能，以及使用SAW驻波驱动等方式[12]，有望进一步摒弃磁场的辅助，实现SAW高效驱动磁畴壁移动。