[发明专利]一种利用飞秒脉冲激光调控MRAM材料的本征阻尼因子的方法

说明书

利用飞秒脉冲激光调控MRAM材料的本征阻尼因子,飞秒脉冲激光在样品局域位置改变功率相当于进行局部高温退火处理，通过功率增加使得本征阻尼因子达到室温8倍左右。CoFeB/MgO结构一直以来是用于制作磁隧道结的重要材料体系，并且在磁性随机存储器应用中有着十分重要的地位。本发明利用脉冲激光的局域的瞬时高温加热来改变样品的局部特征，从而改变材料本身的阻尼因子。由于光斑大小在显微物镜或者普通透镜的调节下在一纳米至几个毫米之间变化，不仅适合在极小单元‑纳米尺度下改变磁性材料的阻尼大小，在宏观尺度下调控磁性材料的阻尼因子。本发明中涉及到的样品依次包括基片，探测磁性层和覆盖层。脉冲激光重复频率为1000Hz，脉冲宽度为50fs，功率密度调节范围大。

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:

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(GiantMagneto Resistance,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(Magnetic Random Access Memory,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。

发明内容:

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。