利用飞秒脉冲激光调控MRAM材料的本征阻尼因子的制作方法

技术领域：

本发明属于自旋电子材料和磁性随机存储器以及飞秒激光应用相结合的交叉领域。具体来讲，本发明涉及到mram材料以及飞秒激光的瞬时高温加热效应。将二者结合，利用暂态的脉冲光来改变mram材料的局部阻尼性质。

背景技术：
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从20世纪80年代baibich等人在磁性多层膜当中观察到巨磁阻效应(giantmagnetoresistance,gmr)以来，对于磁性多层膜的研究成为一大热点。gmr效应具有很高的电阻比值，具体来讲就是我们可以利用该效应产生的高电阻和低电阻两种状态分别用来标记为“0”和“1”，用作信息存储。利用gmr制成的存储器灵敏度高，体积小，功耗低而且可以抗辐射。基于gmr上述的优点，研究人员结合磁性隧道结设计了一种新型的磁性随机存储器(magneticrandomaccessmemory,mram)。磁随机存储器mram是一种非挥发性的存储器。相比于传统的电信号存储器，mram有很多明显的优势：高集成的存储密度，高速读取和写入能力，可重复读写次数近乎无穷大、低功耗和高的抗发射能力以及最突出的非易失性。典型的mram器件核心部分结构有以下四部分构成：位线、写字线、读字线和存储单元。采用这种方式制作的器件主要依靠字线和位线电流产生的磁场来改变磁存储单元的磁化状态。结构和制作工艺十分复杂，不利于集成器件的制作。

目前关于mram的研究很多，主要侧重点就是提高磁矩翻转速度，提高热稳定性同时降低能耗。其中，磁矩的翻转速度主要依赖于材料本身的阻尼因子大小,而当材料的本征阻尼因子变大,其弛豫时间相应会变小,从而使反转速度提高。

cofeb/mgo结构体系由于具有很高的tmr比值，是目前用作磁性随机存储器的主要材料。目前，关于如何调控该种材料体系中阻尼因子的研究主要集中在改变覆盖层材料种类、改变磁性层cofeb厚度、以及通过高温进行退火等方面。

技术实现要素：
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发明目的：针对现有技术和设计中的不足，本发明提供一种操作简单、范围可控的有效方法来改变mram材料——cofeb/mgo的阻尼因子，从而提高磁性随机存储器的翻转速度。

技术方案：本发明的实现由利用磁控溅射方法生长随机存储其需要的材料结构ta/cofeb/mgo；利用时间分辨磁光克尔效应测量磁性材料的阻尼因子；利用飞秒脉冲激光对材料的本征阻尼因子进行调控三个部分组成。

磁光克尔效应探测设备由飞秒激光发生器，延迟线，光学透镜，半波片，沃拉斯顿棱镜，平衡探测仪以及计算机组成。通过计算机控制信号采集，磁场添加和延迟时间控制，可直接得到科尔信号随着泵浦探测相对时间延迟的变化。

飞秒脉冲激光对材料的本征阻尼因子调控由泵浦光功率的变化实现。

本发明通过改变泵浦光功率，利用磁光克尔效应探测设备得到了在不同泵浦光功率下材料弛豫时间不同的结果(见图8)，并通过拟合得到了不同功率泵浦光下材料的本征阻尼因子(见图9)，实现了对材料本征阻尼因子的调控，进而实现对材料磁翻转速度的调控。

本发明中使用的飞秒激光器脉冲宽度为50fs。

本发明中泵浦光的波长为800nm，功率在1mj/cm²～20mj/cm²之间变化。

测量系统的理论基础：本发明是利用时间分辨的磁光克尔效应来测量cofeb(mram重要材料)的阻尼因子的。所谓磁光克尔效应是指：一束线偏振光通过磁性样品或者在外磁场存在下通过物质时，线偏振光的偏振面会发生偏转，与此同时也会伴随着线偏振光变为椭圆偏振光。而时间分辨的磁光克尔效应技术是指：通过泵浦光的瞬时加热，使得电子温度升高，紧接着电子的热量在电子、自旋和晶格三个系统之间弛豫，最终达到平衡，这就是著名的三温度模型。在上述动态过程中，另一束飞秒脉冲光去跟踪探测泵浦光引起的变化。脉冲激光的照射，相当于给样品施加了一个暂态的有效场heff，在heff的作用下，磁性薄膜的磁化强度方向偏离初始平衡位置。当施加一个外磁场时，偏离平衡位置后的磁化强度会沿着外磁场进动。该磁化强度的进动最终毫无疑问地会趋于外磁场的方向，其中阻尼因子的大小对于进动趋于稳定起到了重要作用。我们利用唯象的llg方程将进动现象和阻尼很好的联系了起来。通过实验，我们可以直接得到的图像是自旋波的进动，即正弦振荡波形指数衰减的过程。可以用以下公式来表达：

θk∝asin(ωt-φ)exp(-t/τ)

其中θk表示所测量的克尔信号，a表示进动曲线的幅度，ω表示磁化强度进动的角频率，φ表示进动的初始相位，τ是磁化强度的弛豫时间。通过求llg方程，我们可以得到一个阻尼因子的简单计算公式：a＝1/ωτ。需要注意的是，此处的阻尼因子a并不是本征的阻尼因子，我们称之为有效阻尼因子，因为它是随着外磁场的大小而变化的。而在本专利中,由于外加磁场约为5000oe,cofeb的磁各向异性影响已可忽略,所以有效阻尼因子约等于本征阻尼因子a0。

有益效果：本发明所提出的激光退火调制方法，可以在精确范围内对可控的面积进行激光退火，并通过调控其功率密度，实现准确定位、范围可控的本征阻尼因子的调控，从而影响磁性材料的弛豫时间，改变材料的磁翻转时间，实现更高速的mram读写。

附图说明:

图1是待测样品的位置。(1)为样品(2)为电磁铁(3)为带有刻度的圆形转盘，用来精确标定磁场方向。

图2是本发明中所采用的样品结构示意图,(1)为2nmta覆盖层,(2)为10nmcofeb磁性材料层,(3)为mgo衬底。

图3所示是利用vsm得到的样品磁滞回线(hysteresisloop)信息。

图4是本发明所采用的实验方案简化图。(1)为探测光，(2)为泵浦光，(3)所示部分是采用newport公司延迟线产品示意图。其作用主要是调节两束相干的泵浦光和探测光的光程差，从而产生时间延迟，用于探测纳秒甚至皮秒量级内的进动现象，(4)为延迟线，(5)所示部分是采用单个孔径较大的光学透镜来实现泵浦光垂直入射且探测光近垂直入射到样品表面，(6)为光学透镜，(7)为样品，(8)为半波片，(9)为沃拉斯顿棱镜，(10)为平衡探测器，(11)所示部分是本发明中采用的利用平衡探测器方法来更加精确地采集数据的示意图。

图5是本发明涉及到的磁化强度进动原理示意图。

图6是利用实验室自主搭建的放大倍率为15倍的摄像头观察样品表面的示意图，(1)为控制电脑,(2)为ccd,(3)为摄像头,(4)为电磁铁,(5)为样品。

图7给出了外加磁场同样品的相对位置，在如图所示的角度下我们通过不断改变磁场大小以及不同功率来完成实验测量。

图8克尔信号随着泵浦探测相对时间延迟的变化，明显看出随着泵浦光功率的增大，弛豫时间减小，意味着磁翻转时间变短。

图9所示的是本征阻尼因子a0随着泵浦光功率变化的趋势。实验结果清楚地表明通过改变泵浦光的功率，在一定范围内我们可以有效地改变cofeb薄膜的本征阻尼因子(阻尼值并不随着外磁场而变化)。

具体实施方式：

为实现上述目的，本发明首先制备了随机存储器需要的材料结构ta/cofeb/mgo，并置于如图1的基座上。样品结构依次包括：衬底(sub)，探测磁性层和覆盖层(cappinglayer)。磁性层厚度为10nm，覆盖层为ta，厚度为2nm，衬底为mgo，晶格取向为(100)，如图2所示。该磁性薄膜结构具有面内的磁各向异性，矫顽力hc约为12oe，垂直方向饱和场为10000oe左右，如图3所示。

本发明中涉及到的样品是采用磁控溅射方法生长。首先，对单面抛光的mgo衬底进行表面清洁处理，具体方法是使用氮气流吹拂衬底表面。开始溅射样品时真空度保持在10^-6pa左右。

为了完成上述发明，我们采取的实验方案是利用时间分辨的磁光克尔效应手段。使用的是如图4所示的实验系统。

本发明中使用的飞秒激光器脉冲宽度为50fs，重复频率为1000hz。因为该脉冲激光自身在时域的分辨率为50fs，所以理论上我们可以探测到大于50fs的物理过程。因此该探测手段对于皮秒乃至纳秒级的磁化进动现象(见图5)是足够精确的。

本发明中，为了探测泵浦光引起的磁进动现象，我们采用了精度为1μm，总长度为100cm的延迟线。延迟线利用两束相干光将光程差转化为时间差，从而实现在皮秒尺度的物理过程跟踪。

在本发明中，泵浦光的波长为800nm，功率在1mj/cm²～20mj/cm²之间变化；探测光的波长为400nm，是将800nm泵浦光分束之后通过bbo倍频得到的，探测功率大小为10μw。

在本发明中为了保证上述要求中倍频得到400nm的探测光，我们使用了400nm的带通滤波片，将倍频之后混合在400nm光之中的800nm波长的光过滤掉。

在本发明中，泵浦脉冲激光的能量密度是最敏感的物理量。我们通过调节不同功率密度来达到调制样品阻尼因子的目的，因此对于泵浦光光斑大小的测定显得尤为重要。我们主要采取相干公司提供的软件beamviewr来测量光斑大小。在测量过程中，由于探测器对800nm的泵浦光特别敏感，因此需要将泵浦脉冲光衰减到很微弱的地步。另外，由于室内环境中的杂散光对800nm波段的光影响十分明显，因此我们在测量的时候保证了测量环境是暗室条件，从而保证功率密度的精确性。

在本发明中，为了确保测量软件(beamviewer)测量光斑时的位置就是我们实际测量样品时光斑的位置，我们采取了引入两束光同时测量的方法，已确保测量光斑大小的位置就是实际照射在样品上的位置。

在本发明中，引入两束光精确测量光斑大小的方法具体如下：

1.将样品放置在测量位置，如图1所示。

2.将泵浦光和探测光同时照射到样品表面上，并且调节光路使得探测光和泵浦光在空间上重合。

3.去掉样品，将beambiewer测量软件配套的探测器放置在样品的位置，此处只需要放置在一个近似的位置就可以。(因为我们不可能一次性就准确地让光斑的探测器取代样品的位置)。

4.利用精密的移动平移台(大恒光电产品)微调beamviewer探测器的位置，使得在软件中能够同时看到探测光和泵浦光光斑，然后继续微调使得两个光斑在空间上重合。因为两束光重合的点是唯一的，因此我们利用这种方法可以保证所测量的光斑位置就是实际测量的样品的位置。

为了确保上述步骤2中，泵浦光和探测光光斑在空间上重合，我们需要采用ccd来观察(因为光斑经过普通透镜聚焦后已无法用肉眼精确分辨大小)。我们采用的ccd是自主搭建的设备，放大倍率是15倍(见图6)，对于聚焦后亚毫米量级的光斑来讲，15倍的放大倍率已经足够精细来观察两个光斑是否在空间上重合。

为了探测到磁性薄膜中的磁矩进动现象，我们对样品施加了一个面外的磁场(该磁场大小远远大于磁性薄膜的饱和场)。该磁场的作用是将cofeb样品面内的磁矩拉到指向面外放向，从而能够绕着外磁场方向产生进动。外磁场同样品平面的夹角θh＝22°，如图7所示。

本发明中，为了保证上述要求，我们将电磁铁放置在自己设计的标有刻度的圆形旋转台上，这样就可以准确地给样品施加任意角度的磁场(见图1)。

为了探测到更加明显的进动现象，我们将800nm的泵浦光垂直入射到样品表面，使样品发生局域加热。另外，使400nm的探测光近垂直入射到样品表面，这样可以探测到垂直于样品面内方向的磁矩进动。

为了保证上述发明中探测光近垂直入射，我们采用一个孔径较大的长焦透镜，同时聚焦泵浦光和探测光，这样就会天然地使得探测光以一个偏离垂直方向(也就是泵浦光入射方向)很小的角度照射到样品表面。

本发明采用二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器的组合来测量克尔信号的转角。利用半波片改变探测光的初始偏正方向，使得平衡探测器输出在零电压附近。

本发明中的信号探测采用的是平衡光桥探测和锁相测量相结合的方式。利用斩波器对泵浦光以333hz进行调制，并将该频率用作锁相测量的参考频率。

本发明中锁相放大器的时间常数采用300ms。

本发明中采用的飞秒激光器是相干公司提供的，重复频率为1000hz，脉冲宽度为50fs，最大功率可以达到4mw。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。