自旋畴壁动力学的若干研究进展

苗 君，任增耀，姜 勇

(北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083)

高密度存储、快速读写的磁性逻辑器件是磁学领域中人们一直关注与研究的课题.随着人们对数据存储密度和读写速度要求的提高，磁畴壁在信息存储领域中引起人们的注意.自旋转矩效应的提出使得畴壁动力学研究受到极大的关注，磁畴壁的驱动并不依赖于磁场，而是利用自旋极化电流推动磁畴壁向前或向后运动.这一革命性的进展，再一次推动了基于磁畴壁运动的逻辑器件、信息存储的研究，另一方面,磁信息的读写速度与稳定性起着至关重要的作用，由此引起科学界对磁畴壁结构、磁畴壁电阻和畴壁动力学的深入研究以及对逻辑器件、信息存储器件的探索.

1 国内外研究现状

1.1 畴壁与畴壁磁电阻

磁畴壁是指在磁体内部相邻两磁畴之间形成的具有一定厚度的过渡层.磁畴壁内相邻的自旋之间是以微小的角度相错位，使得内部的每个自旋方向偏离易磁化轴.因此，磁畴壁的能量主要是以各向异性能和交换能的形式来储存.如图1 所示，根据畴壁中磁矩的过渡方式不同，畴壁可分为布洛赫壁和奈尔壁两种类型[1].通常在较厚的磁性薄膜材料中容易出现布洛赫壁，而在极薄的磁性薄膜材料中一定条件下会出现不同于布洛赫壁的奈尔壁.在奈尔壁中，磁矩是平行于膜表面而逐步过渡的，而布洛赫壁中，磁矩则平行于畴壁逐步过渡，奈尔壁的稳定程度与薄膜的厚度有关.

图1 布洛赫畴壁和奈尔畴壁的结构示意图

近年来，人们一直探索在金属磁性材料中用磁畴壁存储信息的可能性，并提出了各种基于磁畴壁运动的自旋电子学元件[2-6]，其中畴壁磁电阻引起了人们的注意.畴壁磁电阻是指由于畴壁两侧的磁化方向不同，当电子通过畴壁时会受到费米面附近不同磁化方向磁矩的散射，电阻通常较高，而当外加磁场使畴壁两侧的磁化方向一致时即畴壁消失，这种散射将会减小，从而导致电阻下降.1999年Garcia等人[7]利用两个镍金属线在末端形成纳米级针尖，施加外力形成纳米点接触，在室温条件下得到了高达280%畴壁磁电阻，这是有关畴壁磁电阻第一个令人关注的结果.但这种点接触结构的宽度并不确定，且不能排除接触界面的影响.Miyake等[8]利用纳米加工技术制作出宽度为15 nm的镍点接触纳米结构，通过改变外加磁场观察到与畴壁有关的电阻变化约0.3 Ω，他们认为这是由于点接触位置的磁结构形成Néel壁，而外加磁场增大将会影响磁电阻变化(图2).

目前，人们通过纳米微加工手段可直接制作出纳米量级的点接触结构[9-11].顾长志等[11]利用纳米加工技术和电测法研究畴壁磁电阻，制备出各种宽度的铁磁金属纳米点接触结构，获得电阻与电压的变化关系，图3是因瓦合金宽度为50 nm的点接触电阻与电压的关系曲线，由于磁矩的方向在畴壁附近不同，当自旋极化电流通过时，电子将受到非共线磁矩的散射，同时电子自旋的方向随着磁矩方向缓慢变化，将一部分角动量传递给磁矩.当电流密度大到一个临界值时，在点接触位置的畴壁会脱离，即在点接触位置磁矩发生了翻转，因此，引起电阻的突变.文献[11]还指出，随着矫顽力的增加铁磁纳米点接触出现畴壁磁电阻的临界宽度不断减小，发现畴壁电阻随着畴壁宽度的增加逐渐下降而与畴壁厚度的倒数成线性关系.

图2宽度为15nm的点接触纳米结构(a)及电阻随磁场的变化(b)[8]

Fig.2 Nanocontact structure with contact width of 15 nm (a), the dependence of the resistance on the magnetic field(b)[8]

图3 50 nm的点接触电阻与电压关系[11]

在磁性纳米器件中，可利用人为缺陷产生的势阱来捕获畴壁[12]，也可以利用多层软硬磁复合结构界面处的应变产生畴壁[13].此外，外加磁场和脉冲电流能够使磁矩反转，产生畴壁.例如特定形状的纳米结构中，通过外加旋转磁场改变磁矩排列，从而产生磁畴壁[14]；另外，在磁性纳米线中，可利用脉冲电流产生的局域磁场而注入畴壁[15].为进一步提高畴壁的运动速度，必须抑制Walker Breakdown[16].目前的方法是外加横向或垂直外场，或增加纳米线边缘的粗糙度.许多研究表明，这些方法有效地增加了磁畴壁形态的稳定性，获得了较高的运动速度[17-18].

此外，利用自旋极化电流脉冲来实现向前或向后推动磁畴壁，可改变纳米结构中的磁矩方向，或利用畴壁产生的高局域静磁场转变邻近元件的磁矩方向.该方法在自旋电子器件方面具有巨大的应用潜力，目前自旋极化电流引起畴壁运动的课题，理论研究明显领先于实验研究[19-20].

1.2 电流诱导畴壁运动

目前畴壁与电流之间相互作用的机制是人们关注的热点[21-26]，对磁纳米线磁畴壁动力学及其自旋结构的微磁学模拟[27-29]和实验[30-31]已有许多相关报道.

日本Saitoh等人[32]发现Ni81Fe19纳米线中畴壁可以与外交变电场发生共振，其共振频率随着外加磁场的增加而增大；德国的Kläui等人[33]利用直流脉冲控制Fe20Ni80纳米线上的畴壁运动，配合高分辨磁力显微镜，测量畴壁在自旋极化电流推动下的运动速率.当电流推动畴壁运动过程中，由于阈值电流密度值大(～1012A/m2)，除热梯度对畴壁的推动作用，热效应对畴壁的运动也有较大影响[34].

近年来，自旋转矩传输(Spin Torque Transfer)吸引了学术界的强烈兴趣，利用自旋角动量转矩可以实现向前或向后推动磁畴壁.2000 年美国康奈尔学者首次在Co/Cu/Co 的3层结构纳米柱中实验观测到STT 效应诱导磁化反转行为[35-36].随后，美国Grandis 公司Huai 等人[37]与康奈尔大学Fuchs 等人[38]同时在低电阻MTJ 中观察到STT 诱导磁化反转行为.Huai 等人[39]在以Al2O3和MgO(001) 为势垒层的正常电阻MTJ 中实现了STT 诱导磁化反转.姜勇等人[40]报道的“反对称自旋阀结构Cu/Co90Fe10/Ru/Co90Fe10/Cu/Co90Fe10/IrMn/Cu/Ta，其零场STT临界电流密度降低到了原来的1%，该结果被收录到2005年至今各年度的《国际半导体技术蓝图》(ITRS).

Parkin等[41]提出的新型磁畴壁赛道存储器(Domain Wall Race Track Memory)，如图4所示.每个畴都拥有1个头(正或北极)和1个尾(负或南极)，且头对头和尾对尾的磁畴壁交替出现.钉扎点(pinning site)和脉冲极化电流控制着磁畴壁间的距离(位长).自旋极化电流引起的自旋角动量转移效应是磁畴壁运动的驱动力.由于自旋散射的作用电流通过磁性材料时变成自旋极化电流，从而具有自旋角动量.当极化电流穿过畴壁时，会将其自旋角动量传递给畴壁，从而对畴壁里的磁矩产生一个力矩的作用，并导致畴壁的移动.一个系列的磁畴壁在极化电流的驱动下能整体向同一个方向移动.这种存储方法具有低成本、快速和可靠的优点，在自旋电子存储器件方面具有巨大的应用潜力[42-43].

Fig.4 Schematic of three dimensional magnetic domain wall race track memory of reading and writing[41]

1.3 磁性自旋逻辑电路

磁性自旋逻辑器件目前有两个发展方向：其一是磁性半导体自旋逻辑器件，另一个是磁性金属自旋逻辑器件.2003年德国Koch小组[44]提出一种利用多层金属薄膜组成的磁隧道结(MTJ)实现逻辑操作的器件模型，他们通过磁隧道结上面的多层薄膜控制下面薄膜的磁化状态，实现逻辑与和逻辑或的功能，但要实现这种器件要求材料的磁电阻非常高，至今仍很难在实验上实现.

2004年日本Ohno小组[45]利用铁磁半导体材料制作的微结构，在脉冲电场作用下电阻显示出周期振荡的特性，可以用来制作开关装置，但必须在83 K的环境温度中工作.2005 年英国Cowburn小组设计并制作出一种基于畴壁运动磁化翻转的逻辑器件[46-47].利用坡莫合金制作的纳米线，纳米线中的畴壁在外加磁场驱动下沿着纳米线移动，改变磁化方向，实现了Kerr磁光信号(MOKE)的逻辑运算.

2006年，荷兰鹿特丹大学的研究组设计并制作出一种由量子点阵列组成的体系[48]，如图5所示.他们利用坡莫合金制作出一系列椭圆形的量子点结构，每个量子点上只有1个磁畴，即1个量子点具有1个磁化方向，不同的磁化方向代表不同的逻辑符号0或1.信息通过相邻量子点间磁化感应向前传递，使该系统具有一定的逻辑处理功能.

图5 磁畴量子点阵列组成的逻辑信号及器件[48]

Fig.5 Logic signals and device composed of magnetic domain quantum dot array[48]

此外，人们还关注自旋极化电流诱导磁化翻转(Current Switch)效应，在无外加磁场下实现磁化翻转，开拓了磁场与电场之间的新途径，扩宽自旋逻辑存储器件的应用领域[49-53].

2 主要研究内容

2.1 纳米结构中的畴壁自旋结构

磁畴壁具有丰富的内容，探测畴壁的主要方法有电测法、磁学显微法和光学法[54-69].电测法主要包括各向异性磁电阻，巨磁电阻和反常霍尔效应.各向异性磁电阻只能探测畴壁是否存在，却不能确定其位置[54].巨磁电阻可以探测畴壁的传播[55]，但由于自旋阀本身结构的特点，产生奥斯特场对畴壁的运动产生干扰[56].反常霍尔效应可以用来研究具有垂直各向异性的磁性材料的畴壁运动[57]，但需要将研究对象做成霍尔十字，而在十字处会对畴壁产生钉扎作用，这将不利于研究退钉[58].虽然电测法能够区分畴壁的自旋结构，但畴壁的具体结构要通过磁学成像技术，如磁力显微术(MFM)，透射电子显微镜(TEM)，极化分析扫描电子显微术(SEMPA)，扫描透射X射线显微分析法(STXM)，光发射电子显微(PEEM，后两种方法要与X射线磁性圆二色(XMCD)结合.

磁力显微术得到普遍应用[59-60]，其操作简单且分辨率高，但磁探针可能导致畴壁结构变化甚至移动[58].电子显微术由于具有非入侵、高分辨率的优点适合对磁纳米结构的畴壁成像.透射电子显微镜样品加工复杂，且样品非常薄导致基片的热量耗散减少，焦耳热效应引起温度上升，施加高电流密度诱导畴壁移动时，很容易达到样品居里温度[61].极化分析扫描电子显微术依靠磁性样品中发射出来的二次电子反映材料的磁矩方向[62-64]，其对表面非常敏感，需要表面干净，此外，由于与高磁场不兼容，引起二次电子自旋进动，导致信号的丢失.X射线磁性圆二色与扫描透射X射线显微镜和光发射电子显微镜相结合是研究磁学的最有力的方法[65-66]，且基于X射线磁性圆二色方法的灵敏度非常高.光学法中的磁光克尔显微术，是研究固体薄膜磁性的有效手段[67-69]，且成功地研究了次纳米线的畴壁运动[70]，然而，由于激光斑点在样品上的衍射限制，只适合小如30 nm样品[71].

Yao[59]等利用磁力显微镜研究了坡莫合金的纳米点接触在施加磁场前后的磁畴壁分布，如图6(a)是施加磁场前，图6(c)是施加磁场后的MFM图像.研究发现，在样品中剩余磁化可以改变磁畴壁的分布，且正常的接触与错配接触会影响畴壁的形核.Chen[60]等用磁力显微镜研究了具有刻痕的纳米线的磁畴壁移动，指出刻痕的深度会影响纳米线的畴壁移动.Gaul[62]等利用极化分析扫描电子显微术研究交换偏置异质结的磁畴和相应的畴壁结构.

图6坡莫合金纳米点接触畴壁结构在施加磁场前的MFM图(a)和示意图(b)，施加磁场后的MFM图(c)和示意图(d)[59]

Fig.6 MFM images and sketches of domain wall of a Permalloy nanocontact before(a) (b) and after(c) (d) applying a magnetic field[59]

在磁性纳米线中，畴壁的自旋结构由能量决定[72]，根据朗道自由能理论在无外场的情况下，畴壁的能量主要由交换能和杂散场能决定.如果交换能占主导作用，为了降低交换能相邻的自旋只有微小的角度变化形成较厚畴壁.如果杂散场占主导，则自旋结构会尽可能地与结构边界保持平行形成较窄的畴壁[58].在1997 McMichael和Donahue对纳米线的畴壁结构进行了微磁学模拟研究[73]，并预测会出现两种类型的畴壁：横向畴壁(TW)和涡旋畴壁(VW)，如图7所示.横向畴壁的自旋只在面内发生偏转，涡旋畴壁的磁矩非常特别，磁矩绕着涡旋中心螺旋排列，而中心处的磁矩指向面外.横向畴壁和涡旋畴壁的杂散场不同，涡旋畴壁的杂散场的横向分量更小[73].

根据杂散场和交换能的能量，可以研究哪种几何结构更容易形成涡旋壁或横向壁.从实验、微磁学模拟和理论计算的角度研究纳米环的几何结构对头对头的畴壁结构的影响[74-78].图8是畴壁类型的相图,图8(a)为室温下坡莫合金纳米环的相图[74]，图8(c)为室温下钴纳米环相图[75]，两个涡旋畴壁壁相夹着中间的横向畴壁相.图8(b)和图8(d)是实验、理论计算和微磁学模拟的对比[74-75].

Fig.7 畴壁(a)，横向畴壁(b)和涡旋畴壁(c)示意图[58]

Fig.7 Schematic of a domain wall (a)，a transverse domain wall (b)and a vortex domain wall (c)[58]

图8 实验、计算、模拟法的畴壁结构:实验法的坡莫合金(a)和Co(c)的相图及相应的实验、计算、微磁模拟的对比图(b,d)[58]

Fig.8 Experimental, calculative and simulative phase diagrams for domain wall：experimental phase diagrams for head-to-head domain walls in (a) permalloy and (c) Co rings at room temperature；comparison of the upper experimental phase boundary with results from calculations and micromagnetic simulations(b),(d)[58]

3种方法得到的第一个相界线并不一致，因为计算是由总能量决定生成畴壁的类型[72]，会严格遵守能量最低原则，而实验过程中先施加外场使其磁化饱和，然后撤掉外场[74]，此过程中横向畴壁是可逆的，而要生成涡旋壁，则需要克服一个能量势垒，这造成涡旋畴壁的滞后，实验法不完全遵守能量最低的原则，因此，在宽、厚的纳米环中可以生成横向壁，此时局域能量最低.然而模拟的的相界线向更厚更宽的方向移动，这与热激发有关，微磁模拟中温度为0 K没有考虑热激发，实验中存在热激发，使横向畴壁克服势垒转变为涡旋畴壁，即温度升高横向畴壁转变为涡旋畴壁[58].

而在尺寸更大的的纳米环中，由于满足局域能量最低，会生成更为复杂的畴壁.Kläui等人[79]用X射线磁性圆二色与光发射电子显微镜相结合研究了不同厚度和宽度的坡莫合金纳米环的畴壁结构，发现除简单的单核涡旋畴壁，还会生成多核涡旋畴壁(图9).

图9 复杂涡旋畴壁图像[79]

而Fonin[80]等利用X射线磁性圆二色与光发射电子显微镜相结合的方法，发现在具有磁晶各向异性的Fe3O4纳米环中，纳米环被分成了4个部分(图10)：2个90°的畴壁、1个头对头的畴壁、1个尾对尾的畴壁，头对头和尾对尾的畴壁呈“之”字型，而每个磁畴的磁矩都是指向面内的某一个易磁化轴，与坡莫合金[74]不同的主要原因是Fe3O4具有磁晶各向异性.

图10 Fe3O4纳米环的畴壁[80]

2.2 纳米结构中的畴壁磁电阻

由于畴壁两侧的磁化方向不同，当电子通过畴壁时会受到费米面附近不同磁化方向磁矩的散射，电阻通常较高.当外加磁场使畴壁两侧的磁化方向一致时，这种散射将减弱，从而导致电阻下降，即畴壁磁电阻.从磁畴壁内的电子自旋结构看，相邻的自旋之间是以微小的角度相错位，使得内部的每个自旋多少偏离易磁化轴.磁畴壁的能量主要以各向异性能和交换能的形式来储存，当施加外磁场时，磁畴壁为达到Zeeman 能最小化而开始移动，表现出类似于粒子的动力学行为特性.

在理想的磁性纳米线结构中，由于形状各向异性，磁化强度的方向被限定在纳米线的轴向方向上，即理想纳米线应该为一个单畴结构，不存在磁畴壁.但低维磁性金属纳米结构的磁逻辑器件中，需要一定的条件产生可以移动的畴壁.畴壁的产生或钉扎，可以有很多种实验方法[12,60,81].在没有磁场或外磁场强度较小时，最常见的方式是磁性材料掺杂或结构的几何缺陷[12,60,81]，而产生磁畴壁钉扎.

磁性纳米线中，存在两种类型的磁畴壁，横向畴壁和涡旋畴壁[73].系统能量最小化决定着磁畴壁的自旋结构：在越窄越薄的纳米线中，横向磁畴壁能量更低；在比较宽和比较厚的纳米线中，涡旋磁畴壁能量更低[72-75].另外，在外场或电流驱动下，磁畴壁在移动过程中的自旋结构也会变化，磁畴壁在纳米线中的运动，受钉扎点、外场以及纳米线微结构的共同影响[81-83].对于横向磁畴壁，凹陷最窄处起吸引作用；而对于涡旋畴壁，其畴壁中心却受到排斥的作用，并根据其磁矩的转向停留在凹陷旁边的位置，如图11所示.

图11横向(a)及涡旋(b)磁畴壁在钉扎处的自旋结构及能量势垒图

Fig.11 Schematic of spin structure and energy barrier of (a) transverse domain wall and (b) vortex domain wall at the notch

磁畴壁表现出类似粒子的行为，因此，对于横向磁畴壁，钉扎点的作用是单势阱；而对于涡旋磁畴壁，钉扎点的作用是双势阱.进一步研究表明，畴壁结构和钉扎点的形状尺寸影响着势阱的深度和宽度.所以，研究不同钉扎点对磁畴壁的控制作用[60,81]，是研究畴壁运动的一个重要方向.

磁畴壁影响磁性材料电阻的方式非常复杂，通常采取多种机制进行解释[84-85]，如各向异性磁电阻(AMR)或洛伦兹力磁电阻(Lorentz Force MR)，以及磁畴壁和流经铁磁质的自旋极化电流的相互作用等.理论研究表明：在多数情况下畴壁对电阻的影响非常小.仅少数情况，如各向异性磁材料中畴壁的厚度达到几个纳米时，这种影响才大到可以被观测到，且畴壁的厚度越薄这种影响会越明显.另外，与单畴状态相比，多畴壁的出现增加了电子散射，会导致磁电阻增大.

磁畴壁在外磁场或极化电流的作用下，能脱离钉扎点后在纳米线中移动，其运动规律也是人们感兴趣的[81].畴壁移动速度是基于磁畴壁移动器件的一个重要的参数，因此，控制Walker Breakdown[83,86]也是一个重要的研究领域.

除外加磁场的作用，磁畴壁对自旋极化电流具有散射作用，也会产生畴壁磁电阻效应.自旋极化电流可以使畴壁发生移动，利用自旋极化电流脉冲来实现向前或向后推动磁畴壁，改变纳米结构中的磁矩方向，或利用畴壁产生的高局域静磁场来转变邻近元件的磁矩方向，对于自旋电子器件方面具有巨大的应用潜力.

2.3 畴壁的运动

自旋转矩的提出使得畴壁动力学研究受到极大的关注[87-94]，用自旋极化电流代替外磁场来驱动磁畴壁运动，这一革命性的进展，再一次推动了基于磁畴壁运动的逻辑器件、信息存储装置的研究，因此，掌握畴壁运动行为成为目前磁学研究的重点.

André Bisig等人[83]利用相位差为90°的sin函数的脉冲电流注到水平和垂直的十字条中，产生磁场，磁场以纳米环的中心为中心旋转，如图12所示.动态观察了畴壁的运动，畴壁的移动速度只与磁场旋转的频率有关，而与场的大小无关.同时发现，无论在Walker breakdown以上还是以下畴壁速度都会发生震荡，在低于Walker breakdown时涡旋中心被推向边缘，而后又回到中心，而在高于Walker breakdown涡旋中心被驱逐且涡旋壁转变为横向壁，边缘涡旋壁形核，而其涡旋壁特性被保留，畴壁结构的周期性变化导致速度震荡.在高频下，震荡周期并不依赖于场的大小，只依赖于场的旋转频率，在低频下会受钉扎位置的影响，在高频下钉扎位置对震荡周期没有影响.在低于Walker breakdown下的畴壁自旋结构的震荡是由于力作用于涡旋畴壁，在涡旋中心有3个力作用：径向力、几何力和回复力，径向力和几何力的震荡变化使得涡旋中心在纳米环中心和边缘交替变化.径向力和几何力与旋转场的频率有关，而能量密度的最大值和幅值也与旋转场的频率成正比，因此，在高频下能量远高于钉扎位置的能量，钉扎对畴壁移动速度几乎没有影响.

图12 旋转磁场驱动畴壁运动[83]

June-Seo Kim等人[81]通过加入不对称的垂直脉冲磁场可以驱动横向畴壁运动.通常由于在垂直的磁场下Zeeman能没有改变，不能驱动面内磁化的磁畴壁移动.特别是用一个连续稳态的垂直磁场不可能驱动畴壁的运动，但一个垂直脉冲磁场产生一个动态力可以驱动畴壁有限的瞬时移动，当磁场减小时畴壁会回到原来的位置.而通过钉扎的辅助，调节脉冲磁场的形状，可以使畴壁从一个钉扎位置移动到另一个钉扎位置，如图13所示.位移的大小与磁场作用的时间有关，可以通过减小阻尼项，提高饱和磁化强度，调整几何形状降低横向各向异性来提高畴壁移动距离和移动速度,且通过调整脉冲的波形和钉扎位置可以精确的控制畴壁的运动.

自旋极化电流与畴壁的相互作用，产生了自旋角动量转移，从而形成自旋转移力矩推动畴壁的运动.但这种由电流引起畴壁运动的机理尚未清楚，深刻理解畴壁对自旋电子产生散射的规律是未来设计和制作基于畴壁运动的自旋电子器件的基础.Boulle 等[58]用准静态法研究了电流诱导横向畴壁和涡旋畴壁的运动.利用光发射电子显微镜术对一个头对头的涡旋畴壁(图14(a))和一个横向畴壁(图14(c))成像，并用微磁学模拟了这两种畴壁，施加1个脉冲电流后再次成像，涡旋畴壁(图14(b))和1个横向畴壁(图14(d))都发生了移动.用这种方法可以确定零场下使畴壁运动的临界电流密度和电流密度与畴壁的平均移动速度的关系.

Heyne等人[82]在坡莫合金纳米线(宽度为1000 nm，厚度为40 nm)中用X射线磁性圆二色与光发射电子显微镜成像和准静态法研究了电流诱导涡旋畴壁的运动.如图15(a)对纳米线施加5次脉冲电流，畴壁产生了2 μm的位移，每个脉冲电流下的位移约为400 nm，每个脉冲宽度是3 ns，畴壁的移动速度约为130 nm/s.这个速度大于宽脉宽电流的驱动速度[58]，由于短脉宽电流迟豫时间更短，产生的力矩大更容易使畴壁退钉，畴壁移动速度更快.研究还发现，畴壁的右侧在电流的驱动下连续移动，而畴壁左侧在施加第3个电流时没有移动(图15(b))，这导致杂散场的能量增加，由于总能量超过了单核涡旋壁的形核能，导致双核涡旋壁形核，最后形成双涡旋壁.随后在脉冲电流的驱动下双涡旋壁像单涡旋壁一样继续移动且自旋结构不会再发生改变.

图13垂直脉冲磁场在钉扎作用下驱动横向畴壁运动:在不同强度的面外磁场下横向畴壁的位移随时间的变化(a)，有钉扎作用下的运动(b)，移动前和移动后的畴壁结构[81]

Fig.13 Motion of transverse domain wall in a wire with a square notch by out-of-plane magnetic field pulses：transverse domain wall displacements as a function of time for various OOP field amplitudes (a); motion of a transverse domain wall in a wire with a square notch by an asymmetric OOP field pulse (b)；the initial (up) and final (down) spin configurations of the transverse domain wall motion (c)[81]

图14脉冲电流诱导畴壁运动.涡旋畴壁(a)和横向畴壁(b)的光发射电子显微镜图像,电流注射下涡旋畴壁(b)和横向畴壁(d)的移动[58]

Fig.14 Pulse current-induced domain wall motion: photoemission electron microscopy images and corresponding micromagnetic simulations of a vortex head-to-head domain wall (a) and a transverse wall (b); the displacements of a vortex wall (c) and a transverse wall (d) by current injection[58]

在理论方面，基于LLG方程，Zhang等人[95]和Thiaville等人[96]确定了非绝热近似力矩表达式为

上述力矩垂直于绝热力矩，β表征非绝热项系数是个无量纲值，它不但影响着畴壁的横向运动，也影响着临界电流密度和畴壁的速度.非绝热项力矩和系统的内力作用决定着畴壁的横向运动，即非绝热项系数β和阻尼系数α的大小关系.在同一个系统下，通过调节β，可以实现畴壁稳定地沿着电子移动的方向运动，而无横向运动.

绝热项系数β在畴壁动力学中起着重要的作用，Boulle等人[58]在理论上研究了畴壁的移动速度，从图16的速度与u(自旋移动速度)的变化关系可以看出，速度的变化依赖于β与α关系.当β=α，速度呈线性关系，当β≠α时速度首先线性增长，当u达到一定数值后速度突然减小(β﹥α)或增加(β<α)，而后再线性增加.

Jung等人[97]利用理论和微磁模拟方法研究了窄薄的垂直磁各向异性纳米线，指出驱动畴壁的退钉的临界电流密度在钉扎强度低时不依赖于钉扎的强度而依赖于非绝热项系数β，如图17所示.Kim等人[98]和Lucassen等人[99]从理论上研究了热激发对畴壁运动的影响.

图15脉冲电流诱导畴壁运动:涡旋畴壁在一系列电流脉冲下的位移图(a)和相应的线扫描强度图(b)[82]

Fig.15 Pulse current-induced domain wall motion: the displacements of vortex wall by series of current pulses (a) and intensity line scans (b)[82]

图16一维系统下畴壁的平均速度在不同非绝热项系数β下随u的变化曲线[58]

Fig.16 Average domain wall velocity as a function ofufor differenceβcalculated using the 1D model[58]

近年来具有垂直各向异性的材料引起了大量研究.一类是表面强单轴垂直各向异性超薄膜，如(Pt/Co)n[100]，(FeCoB/Pt)[101].另一类是强面外磁晶各向异性厚膜，如SrRuO3[102].垂直各向异性材料纳米带中的畴壁宽度非常窄，且临界电流密度比面内磁化样品中要低，这促进了畴壁动力学的进一步研究.由于自旋转矩效应，利用自旋极化脉冲电流向前或向后推动磁畴壁，改变纳米结构中的磁矩方向，或利用畴壁产生的高局域静磁场来转变邻近元件的磁矩方向，这在自旋电子器件方面具有巨大的应用潜力.自旋转矩驱动磁畴壁运动是一种新的电驱动-电测量的方法，引起了人们广泛的研究兴趣，有力推动了基于磁畴壁运动的逻辑元件、信息存储装置及其他自旋电子学器件的研发进程.

图17 临界电流密度与钉扎强度的关系[97]

Fig.17 Relationship between critical current density and pinning strength[97]

由于电流调控磁畴的高电流密度问题尚未解决，为了减少能耗通过电场调控畴壁引起了广泛关注[103-108].Na Lei等人[103]研究了压电/铁磁结构，以PZT为压电层，PZT层上是一个自旋阀，自旋阀的自由层选取了CoFeB和坡莫合金/CoFeB两种不同体系，发现施加不同的电压，矫顽场发生了变化，施加的电压越大矫顽场也越大，而磁场的反转通过磁畴的运动实现，这种作用类似于门，根据这种效应提出了通过电压调控的磁畴壁逻辑器件和磁畴壁存储器，如图18所示.

Lahtinen等人[104]研究了铁电/铁磁异质结，在铁电BaTiO3上生长一层CoFe，CoFe的磁畴能很好地复制BaTiO3的铁电畴图案.而施加外电场时铁电畴发生了变化，引起磁畴发生变化，如果铁电畴变为c型畴，使得易磁化轴旋转了90°，则其上面的a1磁畴变为a2磁畴，而上面的a2磁畴变为a1磁畴，而在a1型铁电畴上，原始的a2磁畴产生新的压应力和拉应力使得易磁化轴旋转了90°，因此，a2磁畴变为a1型磁畴，而原始的a1型磁畴没有发生改变，故在施加电压后在a1型铁电畴上磁畴都变为a1型磁畴.从而可以利用电场实现畴的写入与擦除和畴壁运动的控制，如图19所示.但磁性层的材料选择非常重要，由于利用应力作为媒介，因此，要求局域的磁致弹性能与其他能量有可比性，这是实现电场调控铁磁微观结构的前提.

Fig.18电场调控畴壁的逻辑器件和存储器件:电控畴壁的或非门逻辑器件设想(a)和电控畴壁的赛道存储器设想(b)[103]

Fig.18 Proposal of electric field control of domain wall logic and domain wall memory: design of a multi-input NOR logic function by using voltage control of elementary DW gates (a) and design of a racetrack memory using voltage control of a DW gate (b)[103]

图19磁畴在电场作用下的写入与擦除和畴壁运动:铁电和铁磁畴的初始微观结构(a,b)和施加面外电场后的结构(c,d)[104]

Fig.19 Electrically control the writing and erasure the domain patterns and the motion of magnetic domain walls: ferroelectric (FE) and ferromagnetic (FM) microstructure after CoFe film growth on BaTiO3(a,c) and the application of an out-of-plane electric field of 10 kV/cm (b,d)[104]

热对畴壁的影响也引起了人们的广泛关注[109-111].Jonathan Chico等人[112]从理论方面研究了W(110)/Fe中热梯度驱动畴壁运动，指出热梯度趋使畴壁移动到热的一端，由于W(110)/Fe的各向异性很大，导致畴壁移动速度很慢.畴壁的移动速度与温度梯度成正比，如图20所示，研究发现各向异性越小畴壁的移动速度越大.

图20 不同温度梯度下的畴壁移动速度[112]

2.4 全金属自旋逻辑结构

自旋电子器件不仅在信息存储方面占有优势，在逻辑信号处理方面也一直具有独特优点.自旋电子逻辑器件分为磁性半导体自旋逻辑器件与磁性金属自旋逻辑器件.但半导体中的载流子浓度比较低，电流密度低，工作温度低，且需要利用磁光Kerr显微镜或磁力显微镜作为探测工具，这限制了其进一步的研究和应用.单磁畴量子点系统存储存在两个主要问题：一是相邻量子点之间的静磁场通常比量子点内部的退磁场强度小，这会造成量子点内部的磁矩混乱，无法保证逻辑信号的准确性； 二是在阵列中一旦出现缺陷，造成信息无法继续向前传递，使系统功能失效.

全金属逻辑信息处理器件开拓了自旋电子学应用方向发展的新思路，具有非常好的前景.首先，金属的电阻比半导体小许多，电路本身的能量损耗大幅度降低，有利于电信号的传输，且集成度很高；其次，磁性金属器件大部分都可以在室温工作，有更广泛的应用前景[113].如图21所示，在坡莫合金纳米线中，利用微纳米加工技术将坡莫合金薄膜图案化，形成纳米线、纳米线扇及纳米线交叉结构[14].由于形状各向异性引起的磁化方向沿着纳米线的轴向方向，磁化方向的两个方向就可以代表信息存储中0和1.这些结构可以构造出复杂的逻辑器件，如与、非，甚至更为复杂的与非、或非等逻辑电路.在CMOS里，逻辑电路与非门需要用到4个晶体管，而磁畴壁逻辑门只需用非和与两种纳米线结构完成，这些功能的完成都是基于360°旋转磁场来改变磁矩，推动畴壁的运动.但这种结构用磁场作为驱动信号，因此，与实际应用尚有距离.

图21CMOS逻辑器件与全金属磁畴壁逻辑器件的功能类比[14]

Fig.21 Comparison of the logic devices of CMOS with all metal magnetic domain wall

此外，利用自旋极化电流诱导磁化翻转效应也是一个发展方向，既无外加磁场下实现磁化翻转.一方面减少磁滞回线引起的能量损失，另一方面可以避免磁场对于信号的额外影响，增强信息的可靠性.这对自旋电子学在信息存储方面的发展具有重要意义.

3 结论与展望

以磁电阻效应(如GMR, TMR)为基础的自旋电子学在过去20年已取得了很大的进展，然而磁畴壁的运动规律和有效调控，仍是一个崭新的待开拓领域，在未来自旋电子学器件中有望占有重要的一席.自旋转移矩效应的发现，为利用电子自旋与局域磁矩的相互作用实现对磁化状态的调控提供了可能性，并有可能解决在高密度存储中高能耗和散热问题.但利用自旋转矩效应控制畴壁的运动需要高的电流密度，这又提高了能耗，如何寻找更好的材料和结构来降低电流密度是STT效应应用的关键.

通过调控磁畴壁来实现信息存储和逻辑电路，为信息读写和逻辑控制提供新途径，有可能开发出全新概念的下一代信息功能器件，如赛道存储器，磁畴量子点阵列逻辑器件等，在信息存储领域具有很好的前景价值.随着实验技术和理论分析的进步与突破，特别是在微加工与探测技术的协助下，未来将会出现更多新型的磁畴壁器件，促进信息技术产业的革新，为传统的半导体硅信息工业提供新的思路和机遇.

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