CN111352052B - 自旋轨道矩等效场的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自旋轨道矩等效场的测试系统及测试方法。所述系统包括：激励源、锁相放大器、反馈调节装置以及交流磁场产生装置，其中，激励源采用频率为f的交流电源，连接在测试器件的一个水平方向的两端，用于对测试器件供电，在测试器件内部产生等效场；锁相放大器，连接在测试器件的另一个水平方向的两端，用于测量测试器件产生的频率为2f的霍尔电压信号；反馈调节装置，用于根据频率为2f的霍尔电压信号对交流磁场产生装置进行控制；交流磁场产生装置，用于在测试器件空间产生频率为f的交流磁场，并在反馈调节装置的控制下改变产生的交流磁场的幅值，直到频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值。本发明能够简化测试，方便实现。

Description

自旋轨道矩等效场的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及磁存储器技术领域，尤其涉及一种自旋轨道矩等效场的测试系统及测试方法。

背景技术

研究表明，自旋轨道矩材料或具有自旋轨道矩效应的多层膜结构具有如下特性：当在自旋轨道矩材料中通过横向电流时，由于存在强自旋轨道耦合或者Rashba效应等，会在材料界面产生自旋积累。类似电荷扩散，自旋积累可以注入到临近材料中，受此影响，与该材料层临近的铁磁材料磁矩可以感受到一个等效的磁场及其对应的磁力矩。基于这种特性，用不经过铁磁材料的电流来操控铁磁材料的磁矩取向，可以被应用于磁存储器以及自旋逻辑器件领域，有非常广泛的应用前景。例如，自旋轨道矩和磁性隧道结(MTJ)结合的存储器件由于其能耗低、读写分离的特点，相对于传统的磁性随机存储器能耗低，可擦写次数显著提升，因而有很大优势，被认为是磁存储器的未来发展方向。

对于自旋轨道矩材料及相关器件的研发，需要准确评估自旋轨道矩材料的效率。由于磁矩通过磁力矩来超控，而磁场是产生磁力矩的最直接手段，通常用通过固定电流密度下该材料对铁磁材料产生的等效磁场来表征自旋轨道矩效率。相关表征直接指导自旋轨道矩材料开发或者估计对应磁性超控电流的大小。如图1所示，是目前比较常用的一种测试结构，其中测试器件包括由自旋轨道矩材料层和铁磁材料层构成的多层膜结构，在水平方向上具有相互垂直的第一水平方向和第二水平方向。待测器件磁性层处于饱和磁化状态具有垂直各向异性，磁矩M沿Z方向，在待测器件空间施加一偏置磁场，偏置磁场沿X向的分量记为H_bias，x，在Y向的分量记为H_bias，y，考虑磁场环境的影响，，M会向XY面内倾斜，，当激励源(激励源为频率为f的交流电源)对测试器件在Y方向供电时，由于自旋轨道矩材料层和铁磁材料层的电阻不同，自旋轨道矩材料层在Y方向存在频率为f的第一电流I_ac1，铁磁材料层在Y方向存在频率为f的第二电流I_ac2，自旋轨道矩材料层基于自旋轨道矩效应产生一等效磁场设为

为一个矢量，在X方向的分量记为H_F，在Y方向的分量记为H_D，测试最终需要得到H_F和H_D的值。H_F和H_D对应物理起源的不同，与材料类别，材料的生长方式，材料参数如厚度等相关：

H_F对称性和电流由安培定律产生的磁场一致，被称为类磁场等效场(H_F||X)。可由Rashba效应产生，然而很多研究结果表明，在自旋霍尔效应材料中也有该有效场分量。

H_D服从自旋霍尔效应对称性，由穿过自旋轨道矩材料和铁磁材料界面进入铁磁材料的自旋极化的电流产生。等效场方向和铁磁层磁矩相关H_D～M×X，被称为抗阻尼力矩；当磁化M沿垂直(Z)取向时，H_D沿着Y方向，也就是电流方向，被称为纵向场。

现有的测试方法，是在两次测量中分别沿X，Y方向改变外部偏置磁场，利用两个锁相放大器A，B同时记录频率为f以及频率为2f的霍尔电压强度V_HALL，共得到四个关系曲线：V_x-1f(H),V_x-2f(H),V_y-1f(H),V_y-2f(H)，对四条关系曲线进行复杂的数据拟合和参数提取可以得到等效场H_F和H_D。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

现有的测试方法需要获得大量的测试数据，需要用到反常霍尔效应AHE曲线、平面霍尔效应PHE曲线，并进行复杂的数据拟合和参数提取，整个过程计算量非常大，需要用到的辅助测试多，测试耗时，容易产生分析误差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种自旋轨道矩等效场的测试系统及测试方法，简化测试，不需大量计算，方便实现。

第一方面，本发明提供一种自旋轨道矩等效场的测试系统，包括：激励源、锁相放大器、反馈调节装置以及交流磁场产生装置，其中，

所述激励源采用频率为f的交流电源，连接在测试器件的一个水平方向的两端，用于对所述测试器件供电，在所述测试器件内部产生等效场；

所述锁相放大器，连接在所述测试器件的另一个水平方向的两端，用于测量所述测试器件产生的频率为2f的霍尔电压信号；

所述反馈调节装置，用于根据所述频率为2f的霍尔电压信号对所述交流磁场产生装置进行控制；

所述交流磁场产生装置，用于在所述测试器件空间产生频率为f的交流磁场，并在所述反馈调节装置的控制下改变产生的交流磁场的幅值，直到所述频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值。

可选地，所述交流磁场产生装置包括：频率为f的交流磁场电源以及磁场产生线圈，所述磁场产生线圈位于所述测试器件的四周。

可选地，所述磁场产生线圈为一组或多组相互正交的亥姆霍兹线圈。

可选地，所述反馈调节装置，用于通过所述锁相放大器中采集到的频率为2f的霍尔电压信号和指定的目标值对比，以所述电压信号和所述目标值的差值和一组预设参数为输入，输出所述交流磁场产生装置下一时刻需要施加的激励电信号，直到所述电压信号和所述目标值的差值小于设定阈值。

可选地，所述反馈调节装置，用于通过所述锁相放大器中采集到的频率为2f的霍尔电压信号，经过运算，输出所述交流磁场产生装置下一时刻需要施加的交流磁场幅值，直到所述锁相放大器中采集到的电压信号幅值小于设定阈值。

可选地，所述系统还包括：磁场测量装置，用于测量所述交流磁场和偏置磁场的场强。

可选地，所述系统还包括：温度控制装置，用于控制所述测试器件的环境温度，以获得不同环境温度下的场强测试数据。

可选地，所述系统还包括：偏置磁场控制装置，用于控制所述测试器件的磁场环境，以获得不同磁场环境下的场强测试数据。

可选地，所述系统还包括：探针接口装置，用于实现所述测试器件的外部电学连接。

第二方面，本发明还提供一种自旋轨道矩等效场的测试方法，包括：

1)所述激励源对所述测试器件的一个水平方向供电，在所述测试器件内部产生等效场；

2)所述交流磁场产生装置在所述测试器件空间产生初始态的频率为f的交流磁场；

3)所述锁相放大器测量所述测试器件的另一个水平方向的两端的频率为2f的霍尔电压信号；

4)所述反馈调节装置根据所述频率为2f的霍尔电压信号调节所述交流磁场产生装置，所述交流磁场产生装置改变产生的交流磁场的幅值，返回3)；

5)重复步骤3)-4)，直到所述频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值，当所述频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值时，根据关系

得到所述等效场的场强数据

其中，

为所述等效场的场强矢量，

为所述交流磁场当前的场强矢量。

本发明提供的自旋轨道矩等效场的测试系统及测试方法，通过交流磁场产生装置产生一交流磁场，以测试器件的频率为2f的霍尔电压信号为参考量，使交流磁场实时抵消掉自旋轨道矩材料施加在测试器件内部等效磁场的作用，通过动态补偿的办法，快速，可靠地测量自旋轨道矩等效磁场。

附图说明

图1为现有的自旋轨道矩等效场的测试系统示意图；

图2为本发明的自旋轨道矩等效场的测试系统的一个实施例的示意图；

图3为本发明的自旋轨道矩等效场的测试系统的另一个实施例的示意图；

图4为本发明的自旋轨道矩等效场的测试方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种自旋轨道矩等效场的测试系统，如图2所示，所述系统包括：激励源20，锁相放大器21，反馈调节装置22，以及交流磁场产生装置23，其中，

激励源20采用频率为f的交流电源，连接在测试器件的一个水平方向(Y方向)的两端，用于对测试器件供电，在测试器件内部产生等效场；

锁相放大器21，连接在测试器件的另一个水平方向(X方向)的两端，用于测量测试器件产生的频率为2f的霍尔电压信号；

反馈调节装置22，用于根据频率为2f的霍尔电压信号对交流磁场产生装置23进行控制；

交流磁场产生装置23，用于在所述测试器件空间产生频率为f的交流磁场，并在反馈调节装置22的控制下改变产生的交流磁场的幅值，直到频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值。

具体地，反馈调节装置22在实现时，根据锁相放大器上一时刻所测的频率为2f的霍尔电压信号幅值进行调节交流磁场产生装置下一时刻输出的频率为f的交流磁场幅值。反馈调节装置22可以采用硬件电路来实现，通过锁相放大器21中采集到的电压信号Vread和指定的目标值Vset对比，以(Vread-Vset)和一组预设参数为输入，输出交流磁场产生装置23下一时刻需要施加的激励电信号，直到Vread-Vset＝0或满足某一其他预设条件。例如，通过定制PID反馈电路，关联锁相放大器输出信号和交流磁场电源。该方法中交流磁场电源由硬件直接控制，实时响应反馈，测试速度快，但需要定制PID控制板卡或芯片。

反馈调节装置22还可以采用软件的形式来实现，反馈调节装置23为一包含有控制代码的计算机软件，存储在计算机可读载体中，通过计算机软件实现通过锁相放大器21中采集到的电压信号，经过运算，输出交流磁场产生装置23下一时刻需要施加的交流磁场幅值，直到锁相放大器21中采集到的电压信号幅值小于设定阈值。

如图3所示，为本发明的自旋轨道矩等效场的测试系统的另一个具体实施例，交流磁场产生装置23包括频率为f的交流磁场电源以及磁场产生线圈，磁场产生线圈位于测试器件的四周。交流磁场电源由锁相放大器测量值(频率2f)为输入，通过PID参数控制输出电流，改变磁场产生线圈对应的交流磁场，直到锁相放大器读数小于某一设定阈值。其中，所述磁场产生线圈为一组或多组相互正交的亥姆霍兹线圈。

另外，如图3所示，测试系统在图2的基础上，还包括：磁场测量装置、温度控制装置、偏置磁场控制装置以及探针接口装置，这些装置都可以通过一个探针台装置集成到一起，探针台装置可以提供磁场环境，温度环境，为测试器件和各种仪表的连接提供定位和接口(如探针接口装置)，并包含磁场测量所需的传感器。其中，磁场测量装置，用于测量交流磁场和偏置磁场的场强；温度控制装置，用于控制测试器件的环境温度，以获得不同环境温度下的场强测试数据；偏置磁场控制装置，用于控制测试器件的磁场环境，以获得不同磁场环境下的场强测试数据；探针接口装置，用于实现测试器件的外部电学连接。

另外说明的是，测试系统易于实现，具体如下：

·测试系统需要的探针台装置和外加偏置磁场：通过商业化的标准探针台定位器件，磁铁产生外加偏置磁场。

·测试系统需要的磁场产生线圈：根据探针台尺寸，设计交流磁场产生线圈硬件；利用商用交流磁场电源提供产生磁场所需电流。

·其他仪表：都采用标准仪表。

基于上述测试系统，本发明实施例还提供一种自旋轨道矩等效场的测试方法，首先制备包含自旋轨磁矩材料层和铁磁材料层的多层膜结构；基于多层膜结构制备测试器件，如图4所示，所述测试方法包括：

S1、激励源对测试器件的一个水平方向供电，产生等效场；

例如沿Y方向对测试器件施加频率为f的激励电流，在测试器件内部产生等效场。

S2、交流磁场产生装置在测试器件空间产生初始态的频率为f的交流磁场；例如交流磁场初始态可以为0，交流磁场的场强记为

S3、锁相放大器测量测试器件的另一个水平方向的两端的频率为2f的霍尔电压信号V^2f；

测试器件Y方向施加激励电流时，在X方向产生霍尔电压。

S4、反馈调节装置判断频率为2f的霍尔电压信号V^2f是否小于设定阈值(如设定为10nV)，如果是，则得到

其中，

为所述等效场的场强矢量，

为所述交流磁场的场强矢量，测试结束；否则执行S5，并返回S3；

S5、反馈调节装置根据频率为2f的霍尔电压信号V^2f调节交流磁场产生装置，交流磁场产生装置改变产生的交流磁场的幅值。

如果要测试不同测试环境(不同温度、不同磁场环境)的等效场，可以利用温度控制装置和偏置磁场控制装置，改变测试器件的环境温度和磁场环境，得到不同测试环境的等效场。

本发明实施例提供的自旋轨道矩等效场的测试方法，在某一测试环境下(温度，偏置磁场)，激励源在测试器件中通过频率为f的交流电流，锁相放大器测量测试器件的频率为2f的霍尔电压信号；反馈调节装置将该信号动态反馈到交流磁场产生装置，交流磁场产生装置改变频率为f的交流磁场幅值；当频率为2f的霍尔电压信号小于设定阈值时，该测试环境下测试完成，根据关系

得到等效场的场强数据

其中，

为等效场的场强矢量，

为交流磁场当前的场强矢量。参考图2或图3，则有HF＝-hx，HD＝-hy。其中x,y方向为方向标号，不限于图示意方向。与现有技术相比，本发明的测试方法，基于实时动态补偿直接测量自旋轨道矩等效场，测试数据直接为等效场分量及其大小，具有高可靠性。同时无需进行大量推导计算和数据拟合，对不同材料都可以适用。

最后补充说明一下，本发明实施例的自旋轨道矩等效场的测试方法所基于的原理。

①当对测试器件施加偏置磁场(Hbias,x或Hbias,y)时，根据能量最低原理，磁矩M取向将朝向总能量最低点，由球坐标系中的方向(θ₀，φ₀)表示。根据

可确定(θ₀，φ₀)。

②所测Hall电压由磁矩取向唯一决定：

其中C_A，C_P分别为和反常霍尔效应(AHE)以及平面霍尔效应(PHE)对应的材料系数。

③当在自旋轨道矩材料中加入幅值较小,频率较低交流电流i＝i₀e^i2πft时，产生同样周期变化的有效场H_D，H_F.该有效场导致磁矩M绕着平衡位置小角度同周期变化，变化幅度分别为Δθ，Δφ，因此导致一个频率为2f的霍尔电压信号。该电压满足下述关系：

④只要HD，HF，以及两个偏导数

不同时为0，就会观测到V^2f信号。

⑤本发明通过交流磁场产生装置，可以在一个或多个方向同时产生交流磁场(如X方向和Y方向hx，hy)。

⑥利用实时测量值V^2f作为反馈值，通过一定的软件或硬件(如PID控制回路)，动态改变交流磁场的输出数值，直到V^2f在仪器精度范围内输出值等于0(V^2f≈0)。此时，交流磁场和内部等效场抵消时(hx+HF＝0,hy+HD＝0).此刻对应的输出交流场与等效场数值相反。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述系统包括：激励源、锁相放大器、反馈调节装置以及交流磁场产生装置，其中，

所述激励源采用频率为f的交流电源，连接在测试器件的一个水平方向的两端，用于对所述测试器件供电，在所述测试器件内部产生等效场；

所述锁相放大器，连接在所述测试器件的另一个水平方向的两端，用于测量所述测试器件产生的频率为2f的霍尔电压信号；

所述反馈调节装置，用于根据所述频率为2f的霍尔电压信号对所述交流磁场产生装置进行控制；

所述交流磁场产生装置，用于在所述测试器件空间产生频率为f的交流磁场，并在所述反馈调节装置的控制下改变产生的交流磁场的幅值，直到所述频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值。

2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述交流磁场产生装置包括：频率为f的交流磁场电源以及磁场产生线圈，所述磁场产生线圈位于所述测试器件的四周。

3.根据权利要求2所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述磁场产生线圈为一组或多组相互正交的亥姆霍兹线圈。

4.根据权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述反馈调节装置，用于通过所述锁相放大器中采集到的频率为2f的霍尔电压信号和指定的目标值对比，以所述霍尔电压信号和所述目标值的差值和一组预设参数为输入，输出所述交流磁场产生装置下一时刻需要施加的激励电信号，直到所述霍尔电压信号和所述目标值的差值小于设定阈值。

5.根据权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述反馈调节装置，用于通过所述锁相放大器中采集到的频率为2f的霍尔电压信号，经过运算，输出所述交流磁场产生装置下一时刻需要施加的交流磁场幅值，直到所述锁相放大器中采集到的霍尔电压信号幅值小于设定阈值。

6.根据权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述系统还包括：磁场测量装置，用于测量所述交流磁场和偏置磁场的场强。

7.根据权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述系统还包括：温度控制装置，用于控制所述测试器件的环境温度，以获得不同环境温度下的场强测试数据。

8.根据权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述系统还包括：偏置磁场控制装置，用于控制所述测试器件的磁场环境，以获得不同磁场环境下的场强测试数据。

9.根据权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统，其特征在于，所述系统还包括：探针接口装置，用于实现所述测试器件的外部电学连接。

10.一种基于权利要求1所述的自旋轨道矩等效场的测试系统的测试方法，其特征在于，包括：

1)所述激励源对所述测试器件的一个水平方向供电，在所述测试器件内部产生等效场；

2)所述交流磁场产生装置在所述测试器件空间产生初始态的频率为f的交流磁场；

3)所述锁相放大器测量所述测试器件的另一个水平方向的两端的频率为2f的霍尔电压信号；

4)所述反馈调节装置根据所述频率为2f的霍尔电压信号调节所述交流磁场产生装置，所述交流磁场产生装置改变产生的交流磁场的幅值，返回3)；

5)重复步骤3)-4)，直到所述频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值，当所述频率为2f的霍尔电压信号的幅值小于设定阈值时，根据关系

得到所述等效场的场强数据

其中，

为所述等效场的场强矢量，

为所述交流磁场当前的场强矢量。

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