各种新型的磁场传感器逐渐被开发出来

磁传感器广泛应用于航天、汽车、导航、生物医学及工业自动化等领域。近年来，各种新型的磁场传感器逐渐被开发出来，如超导量子干涉器件、磁通门传感器和石墨烯霍尔传感器等。另外，基于金刚石中的光学氮空位、半导体材料中的霍尔效应以及磁性材料中的磁电阻效应等方法也得到了发展。其中，基于各向异性磁电阻、巨磁电阻和隧道磁电阻的磁传感器具有带宽宽、稳定性高、体积小、成本低等优点，同时拥有良好的灵敏度、分辨率和线性度，受到了广泛的关注和研究。目前，磁场的探测不再局限于一维或二维，三维磁场的探测更具实际意义。测量三维磁场的传统方法是使用三个磁传感器分别感测沿三个坐标轴（x、y和z）的磁场分量的大小，或者采用磁通导向器(magnetic flux guide)将磁场引导至平面传感器的探测方向。然而，这两种方案由于其本身的限制，都存在测得的三个磁场分量非正交或者不在同一空间位置上的问题。因此，设计一个基于单器件可探测三维磁场的磁传感器具有重大的科学意义与应用前景。

 

近日，华中科技大学游龙教授课题组利用自旋轨道力矩-忆阻器件实现了三维磁场的探测，在一定大小的写电流密度下，面外磁场分量（Hz分量）和面内磁场分量（Hx和Hy）都可以实现对器件电阻的连续线性调控，且具有记忆功能，无需初始化，反常霍尔电阻和磁场分量大小一一对应。该研究中x，y，z方向的灵敏度分别为205，282和1845 V/A/T，线性度分别为3.2%，2.7%和4.3%。通过抵消三个磁场分量中的任意两个对反常霍尔电阻的贡献，来探测剩余一个磁场分量的大小，从而可以得到矢量磁场的大小和方向。由于面内与面外磁场拥有不同的物理机制，因此，基于物理机制分离出三个分量的单独贡献不存在不正交或者不在同一空间位置上的问题。该研究成果以“A spin–orbit torque device for sensing three-dimensional magnetic fields”为题在国际著名学术期刊Nature Electronics上发表。

图1：基于非易失磁畴壁移动的单忆阻器件探测三维磁场的原理示意图

如图1所示，研究人员采用具有垂直磁各向异性的Ta/CoFeB/MgO异质结构，在施加写电流（有明显的自旋霍尔效应，电流密度在1 MA/cm2以上）的情况下，利用面内与面外磁场对磁畴的不同调控机制，可以将矢量磁场的三个正交方向的分量探测出来。在没有外磁场的情况下，在x方向通电流（如Jx = 6.8 MA/cm2）时，CoFeB磁性层会在奥斯特场、铁磁交换作用、退磁场以及焦耳热等的作用下形成一个沿x方向的磁畴壁（Domain Wall，DW），位于Hallbar中央，对应的反常霍尔电阻RH为0。

如果在x方向通入写电流的同时施加一个z方向的小磁场，该磁场将会推动DW移动，使其不再钉扎在中央位置。由于器件的易磁化方向沿z方向，在焦耳热的辅助作用下，+z方向的磁场有助于使磁畴向+z方向偏转，使得CoFeB磁性层中+z方向的磁畴比例增大，即DW发生了移动，RH随之增大，且DW的移动距离由磁场大小决定（移动到边界，即饱和之前）。同样地，-z方向的磁场会导致相反的DW移动，RH减小。需要注意的是，当写电流极性改变后，仍然是+z方向的磁场导致正的RH变化，因此正负电流下的RH-Hz曲线是重合的（图2a）。

图2：在±6.8MA/cm2的电流密度下各个方向的R-H曲线。a-c为在x方向通电流情况下，d-e为在y方向通电流情况下。

如果在x方向通写电流的同时施加一个x方向的小磁场，由于自旋霍尔效应或Rashba效应产生的自旋积累会对CoFeB磁性层的磁化强度产生一个力矩的作用，即自旋-轨道力矩，该力矩会在z方向上产生一个有效场：

其中，ℏ是约化普朗克常数，e是电子电荷量，Ms是饱和磁化强度，t是CoFeB磁性层的厚度，θSH是Ta的自旋霍尔角，Jx是电流密度，以及mx是磁畴壁中的磁化方向沿x方向的分量。由于材料选定以后，ℏ、e、Ms、t和θSH都不再变化，若Jx也固定不变，便只由mx决定。对于Neel型DW，当DW沿x方向时，DW里的磁化方向在yoz平面过渡，因此mx为0。而施加x方向磁场后，DW里的磁化方向会向x方向发生偏置，且偏置角度与磁场的强度有关，即mx会受到x方向磁场的影响，磁场越大，mx越大直至饱和，以及RH也随之变大直至饱和。另外，当电流极性改变后，的符号也跟着发生变化，因此正负电流下的RH-Hx曲线是关于x轴对称的（图2b）。

如果在x方向通入写电流的同时施加一个y方向的小磁场，，因此没有z方向的有效场，DW会保持在器件中央，对应地，（图2c）。

需要注意的是，在x或z方向磁场下，施加x方向电流改变了DW位置后，撤去电流和磁场，DW不会回到原来位置上，即具有非易失性，或者说该器件对磁场具有记忆功能。同样地，在器件y方向通电流时，y方向和z方向磁场可以调控RH，而x方向磁场（小于各向异性场）不会对RH造成变化。

对于一个矢量磁场，根据RH在三个方向的磁场以及正负电流下的不同响应特性（图2中的曲线的对称特性），经过简单的操作方式，可以将三个方向磁场分量对于反常霍尔电阻的单独贡献分离出来。具体来说，将正负电流下的R-H曲线相减，可以去除掉Hz分量的贡献，而Hy没有贡献，从而得到Hx的单独贡献（图3a）；通过将正负电流下的R-H曲线相加，可以去除掉Hx的贡献而得到Hz的单独贡献（图3c）。同样地，若电流方向沿y方向，如图1b所示，经过以上相应的操作，可以分别得到Hy（图3b）和Hz对RH的单独贡献。至此，三个分量对RH的单独作用均已获得，我们可以根据电阻得到三个磁场分量的大小，从而可以得到矢量磁场的大小和方向，由于这种分离方案是基于物理机制的，因此不会存在不正交的问题。

图3：经过加/减操作后得到的三个方向的磁场对RH的调控作用。

最后，研究人员采用E5052B信号源分析仪(Signal Source Analyzer, Keysight)测量了磁传感器的噪声。测试过程中，由Keythley 6221为器件施加电流，所有测试在没有外磁场的室温下进行。图4给出了Hall bar宽度分别为40微米和50微米的器件在直流电流下测得的噪声谱密度图。从图中可以看出，在低频阶段1/f噪声占主导地位，在高频阶段，曲线趋于饱和，此时约翰逊噪声占主导。当电流密度为6.8MA/cm2（50微米宽度器件）和6.2MA/cm2（40微米宽度器件）时，器件在1 Hz处的噪声值分别为1450和150nV/√Hz。除了外加电流和磁场引起的畴壁移动外，焦耳热对Hooge因子的作用是影响1/f噪声的主要因素。当器件宽度减小时，写入电流、器件电阻以及由此产生的焦耳热随之减少。因此，通过减小器件的宽度或长度，可以降低写入电流密度下的噪声，有助于推动该传感器的高密度集成。为进一步降低噪声，还可以利用高自旋霍尔角金属代替Ta作为自旋电流源来降低写电流，如W和CuBi合金等。

图4：噪声谱密度。

此工作是基于以前自旋轨道力矩忆阻器件工作的延伸，此课题组于2019年首次在垂直磁各向异性Ta/CoFeB/MgO异质结器件中实验发现了忆阻效应并可用于神经形态计算(Adv.Electron. Mater., 5, 1800782 (2019), Appl. Phys. Lett. 114, 042401 (2019))，于2021年在实验上利用自旋轨道力矩忆阻效应实现了可用于模拟电路中的积分器等功能器件(Appl. Phys. Lett. 118, 052402 (2021))，并利用自旋轨道力矩真随机数发生器构建低功耗小面积人工神经网络(Appl.Phys. Lett. 118, 052401 (2021))。

华中科技大学光学与电子信息学院游龙教授为本文通讯作者，博士生李若凡与张帅为本文共同第一作者，合作者包括华中科技大学光学与电子信息学院杨晓非教授、Jeongmin Hong研究员、欧阳君副教授、博士后郭喆、博士生罗时江，兰州大学席力教授、硕士生许炎，湖北大学讲师宋敏等。另外，本文也受到了华中科技大学光学与电子信息学院吴国安教授与占腊民副教授提供的仪器支持。本工作得到了国家自然科学基金青年、面上和创新群体项目、国家重点研发计划、武汉市科技局科研项目以及中央高校基本科研基金（华中科技大学）等项目的共同资助。

 

原文标题：Nat. Electron.: 单自旋轨道力矩忆阻器件实现三维矢量磁场的探测

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责任编辑：haq