各種新型的磁場(chǎng)傳感器逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)

磁傳感器廣泛應(yīng)用于航天、汽車(chē)、導(dǎo)航、生物醫(yī)學(xué)及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。近年來(lái)，各種新型的磁場(chǎng)傳感器逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如超導(dǎo)量子干涉器件、磁通門(mén)傳感器和石墨烯霍爾傳感器等。另外，基于金剛石中的光學(xué)氮空位、半導(dǎo)體材料中的霍爾效應(yīng)以及磁性材料中的磁電阻效應(yīng)等方法也得到了發(fā)展。其中，基于各向異性磁電阻、巨磁電阻和隧道磁電阻的磁傳感器具有帶寬寬、穩(wěn)定性高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擁有良好的靈敏度、分辨率和線性度，受到了廣泛的關(guān)注和研究。目前，磁場(chǎng)的探測(cè)不再局限于一維或二維，三維磁場(chǎng)的探測(cè)更具實(shí)際意義。測(cè)量三維磁場(chǎng)的傳統(tǒng)方法是使用三個(gè)磁傳感器分別感測(cè)沿三個(gè)坐標(biāo)軸（x、y和z）的磁場(chǎng)分量的大小，或者采用磁通導(dǎo)向器(magnetic flux guide)將磁場(chǎng)引導(dǎo)至平面?zhèn)鞲衅鞯奶綔y(cè)方向。然而，這兩種方案由于其本身的限制，都存在測(cè)得的三個(gè)磁場(chǎng)分量非正交或者不在同一空間位置上的問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單器件可探測(cè)三維磁場(chǎng)的磁傳感器具有重大的科學(xué)意義與應(yīng)用前景。

近日，華中科技大學(xué)游龍教授課題組利用自旋軌道力矩-憶阻器件實(shí)現(xiàn)了三維磁場(chǎng)的探測(cè)，在一定大小的寫(xiě)電流密度下，面外磁場(chǎng)分量（Hz分量）和面內(nèi)磁場(chǎng)分量（Hx和Hy）都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件電阻的連續(xù)線性調(diào)控，且具有記憶功能，無(wú)需初始化，反?；魻栯娮韬痛艌?chǎng)分量大小一一對(duì)應(yīng)。該研究中x，y，z方向的靈敏度分別為205，282和1845 V/A/T，線性度分別為3.2%，2.7%和4.3%。通過(guò)抵消三個(gè)磁場(chǎng)分量中的任意兩個(gè)對(duì)反?；魻栯娮璧呢暙I(xiàn)，來(lái)探測(cè)剩余一個(gè)磁場(chǎng)分量的大小，從而可以得到矢量磁場(chǎng)的大小和方向。由于面內(nèi)與面外磁場(chǎng)擁有不同的物理機(jī)制，因此，基于物理機(jī)制分離出三個(gè)分量的單獨(dú)貢獻(xiàn)不存在不正交或者不在同一空間位置上的問(wèn)題。該研究成果以“A spin–orbit torque device for sensing three-dimensional magnetic fields”為題在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Electronics上發(fā)表。

圖1：基于非易失磁疇壁移動(dòng)的單憶阻器件探測(cè)三維磁場(chǎng)的原理示意圖

如圖1所示，研究人員采用具有垂直磁各向異性的Ta/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在施加寫(xiě)電流（有明顯的自旋霍爾效應(yīng)，電流密度在1 MA/cm2以上）的情況下，利用面內(nèi)與面外磁場(chǎng)對(duì)磁疇的不同調(diào)控機(jī)制，可以將矢量磁場(chǎng)的三個(gè)正交方向的分量探測(cè)出來(lái)。在沒(méi)有外磁場(chǎng)的情況下，在x方向通電流（如Jx = 6.8 MA/cm2）時(shí)，CoFeB磁性層會(huì)在奧斯特場(chǎng)、鐵磁交換作用、退磁場(chǎng)以及焦耳熱等的作用下形成一個(gè)沿x方向的磁疇壁（Domain Wall，DW），位于Hallbar中央，對(duì)應(yīng)的反常霍爾電阻RH為0。

如果在x方向通入寫(xiě)電流的同時(shí)施加一個(gè)z方向的小磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將會(huì)推動(dòng)DW移動(dòng)，使其不再釘扎在中央位置。由于器件的易磁化方向沿z方向，在焦耳熱的輔助作用下，+z方向的磁場(chǎng)有助于使磁疇向+z方向偏轉(zhuǎn)，使得CoFeB磁性層中+z方向的磁疇比例增大，即DW發(fā)生了移動(dòng)，RH隨之增大，且DW的移動(dòng)距離由磁場(chǎng)大小決定（移動(dòng)到邊界，即飽和之前）。同樣地，-z方向的磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致相反的DW移動(dòng)，RH減小。需要注意的是，當(dāng)寫(xiě)電流極性改變后，仍然是+z方向的磁場(chǎng)導(dǎo)致正的RH變化，因此正負(fù)電流下的RH-Hz曲線是重合的（圖2a）。

圖2：在±6.8MA/cm2的電流密度下各個(gè)方向的R-H曲線。a-c為在x方向通電流情況下，d-e為在y方向通電流情況下。

如果在x方向通寫(xiě)電流的同時(shí)施加一個(gè)x方向的小磁場(chǎng)，由于自旋霍爾效應(yīng)或Rashba效應(yīng)產(chǎn)生的自旋積累會(huì)對(duì)CoFeB磁性層的磁化強(qiáng)度產(chǎn)生一個(gè)力矩的作用，即自旋-軌道力矩，該力矩會(huì)在z方向上產(chǎn)生一個(gè)有效場(chǎng)：

其中，?是約化普朗克常數(shù)，e是電子電荷量，Ms是飽和磁化強(qiáng)度，t是CoFeB磁性層的厚度，θSH是Ta的自旋霍爾角，Jx是電流密度，以及mx是磁疇壁中的磁化方向沿x方向的分量。由于材料選定以后，?、e、Ms、t和θSH都不再變化，若Jx也固定不變，便只由mx決定。對(duì)于Neel型DW，當(dāng)DW沿x方向時(shí)，DW里的磁化方向在yoz平面過(guò)渡，因此mx為0。而施加x方向磁場(chǎng)后，DW里的磁化方向會(huì)向x方向發(fā)生偏置，且偏置角度與磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)，即mx會(huì)受到x方向磁場(chǎng)的影響，磁場(chǎng)越大，mx越大直至飽和，以及RH也隨之變大直至飽和。另外，當(dāng)電流極性改變后，的符號(hào)也跟著發(fā)生變化，因此正負(fù)電流下的RH-Hx曲線是關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)的（圖2b）。

如果在x方向通入寫(xiě)電流的同時(shí)施加一個(gè)y方向的小磁場(chǎng)，，因此沒(méi)有z方向的有效場(chǎng)，DW會(huì)保持在器件中央，對(duì)應(yīng)地，（圖2c）。

需要注意的是，在x或z方向磁場(chǎng)下，施加x方向電流改變了DW位置后，撤去電流和磁場(chǎng)，DW不會(huì)回到原來(lái)位置上，即具有非易失性，或者說(shuō)該器件對(duì)磁場(chǎng)具有記憶功能。同樣地，在器件y方向通電流時(shí)，y方向和z方向磁場(chǎng)可以調(diào)控RH，而x方向磁場(chǎng)（小于各向異性場(chǎng)）不會(huì)對(duì)RH造成變化。

對(duì)于一個(gè)矢量磁場(chǎng)，根據(jù)RH在三個(gè)方向的磁場(chǎng)以及正負(fù)電流下的不同響應(yīng)特性（圖2中的曲線的對(duì)稱(chēng)特性），經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的操作方式，可以將三個(gè)方向磁場(chǎng)分量對(duì)于反?；魻栯娮璧膯为?dú)貢獻(xiàn)分離出來(lái)。具體來(lái)說(shuō)，將正負(fù)電流下的R-H曲線相減，可以去除掉Hz分量的貢獻(xiàn)，而Hy沒(méi)有貢獻(xiàn)，從而得到Hx的單獨(dú)貢獻(xiàn)（圖3a）；通過(guò)將正負(fù)電流下的R-H曲線相加，可以去除掉Hx的貢獻(xiàn)而得到Hz的單獨(dú)貢獻(xiàn)（圖3c）。同樣地，若電流方向沿y方向，如圖1b所示，經(jīng)過(guò)以上相應(yīng)的操作，可以分別得到Hy（圖3b）和Hz對(duì)RH的單獨(dú)貢獻(xiàn)。至此，三個(gè)分量對(duì)RH的單獨(dú)作用均已獲得，我們可以根據(jù)電阻得到三個(gè)磁場(chǎng)分量的大小，從而可以得到矢量磁場(chǎng)的大小和方向，由于這種分離方案是基于物理機(jī)制的，因此不會(huì)存在不正交的問(wèn)題。

圖3：經(jīng)過(guò)加/減操作后得到的三個(gè)方向的磁場(chǎng)對(duì)RH的調(diào)控作用。

最后，研究人員采用E5052B信號(hào)源分析儀(Signal Source Analyzer, Keysight)測(cè)量了磁傳感器的噪聲。測(cè)試過(guò)程中，由Keythley 6221為器件施加電流，所有測(cè)試在沒(méi)有外磁場(chǎng)的室溫下進(jìn)行。圖4給出了Hall bar寬度分別為40微米和50微米的器件在直流電流下測(cè)得的噪聲譜密度圖。從圖中可以看出，在低頻階段1/f噪聲占主導(dǎo)地位，在高頻階段，曲線趨于飽和，此時(shí)約翰遜噪聲占主導(dǎo)。當(dāng)電流密度為6.8MA/cm2（50微米寬度器件）和6.2MA/cm2（40微米寬度器件）時(shí)，器件在1 Hz處的噪聲值分別為1450和150nV/√Hz。除了外加電流和磁場(chǎng)引起的疇壁移動(dòng)外，焦耳熱對(duì)Hooge因子的作用是影響1/f噪聲的主要因素。當(dāng)器件寬度減小時(shí)，寫(xiě)入電流、器件電阻以及由此產(chǎn)生的焦耳熱隨之減少。因此，通過(guò)減小器件的寬度或長(zhǎng)度，可以降低寫(xiě)入電流密度下的噪聲，有助于推動(dòng)該傳感器的高密度集成。為進(jìn)一步降低噪聲，還可以利用高自旋霍爾角金屬代替Ta作為自旋電流源來(lái)降低寫(xiě)電流，如W和CuBi合金等。

圖4：噪聲譜密度。

此工作是基于以前自旋軌道力矩憶阻器件工作的延伸，此課題組于2019年首次在垂直磁各向異性Ta/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)器件中實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了憶阻效應(yīng)并可用于神經(jīng)形態(tài)計(jì)算(Adv.Electron. Mater., 5, 1800782 (2019), Appl. Phys. Lett. 114, 042401 (2019))，于2021年在實(shí)驗(yàn)上利用自旋軌道力矩憶阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了可用于模擬電路中的積分器等功能器件(Appl. Phys. Lett. 118, 052402 (2021))，并利用自旋軌道力矩真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器構(gòu)建低功耗小面積人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Appl.Phys. Lett. 118, 052401 (2021))。

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院游龍教授為本文通訊作者，博士生李若凡與張帥為本文共同第一作者，合作者包括華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院楊曉非教授、Jeongmin Hong研究員、歐陽(yáng)君副教授、博士后郭喆、博士生羅時(shí)江，蘭州大學(xué)席力教授、碩士生許炎，湖北大學(xué)講師宋敏等。另外，本文也受到了華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院吳國(guó)安教授與占臘民副教授提供的儀器支持。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年、面上和創(chuàng)新群體項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、武漢市科技局科研項(xiàng)目以及中央高?；究蒲谢穑ㄈA中科技大學(xué)）等項(xiàng)目的共同資助。

原文標(biāo)題：Nat. Electron.: 單自旋軌道力矩憶阻器件實(shí)現(xiàn)三維矢量磁場(chǎng)的探測(cè)

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