垂直に磁化された競馬場における電流誘起磁壁運動と傾斜

背景

競馬場での電流誘起磁壁運動（CIDWM）により、新たに開発された磁気競馬場メモリデバイスが明らかになりました[1、2]。この有望な見通しのおかげで、過去数十年の間に多くの作業が行われてきました。 CIDWMは、最初に面内磁気異方性を備えた強磁性体（FM）で調査され、スピン偏極電流によって生成されるスピン伝達トルク（STT）が駆動力として機能します[3、4]。その後、CIDWMは垂直磁気異方性（PMA）を備えたFMでも実現されました[5、6]。ただし、一部のPMA材料では、磁壁（DW）の運動方向が電子の流れの方向と反対であり、STTの予測と矛盾します[7、8]。そして、PMAを備えた重金属（HM）/ FM二重層構造では、DW運動が現在の方向に沿っているという多くの研究が見出されています。スピンホール効果および/またはラシュバ効果によるHM生成スピン軌道相互作用（SOT）と、FMの構造反転非対称性による界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）が、キラルDW運動を駆動すると考えられることが実証されました。現在の方向に沿って[9、10]。したがって、CIDWMの効率を高めるには、スピンホール角（θ）が大きいHMが必要です。 _SH ）DWモーションを駆動するためにより大きなトルクを生成します。大きなθを取得するために多くの努力が注がれてきました _SH HMの厚さを変化させ[11、12]、HMとFMの間の界面を装飾し[13、14]、HMの結晶化度を変化させ[15]、さらにHMに酸素を関与させる[16]。その上、いくつかの報告はまた大きな効果的なθを達成します _SH HM / FM / HM構造に基づいており、2つのHM層の符号が反対のθです。 _SH [17、18、19]。 2つのHM層を電流が通過すると、2種類のHM層から生成されたスピン電流が協調して動作し、電流密度を下げて磁化を切り替えたり、DWモーションを駆動したりするためのSOT効率を向上させます。一方、この種の3層のDMI強度は、FM層の両側に2つの界面相互作用があるため、2層とは異なる場合があります。 DW傾斜挙動を説明するために拡張集合座標モデルが提案された場合、DMI強度がDW速度に大きな影響を与えることがわかりました[20]。さらに、DWの傾きはGaMnAsマイクロワイヤでも報告されています[20、21、22]。

以前の研究では、PMAを使用したPt / Co / Ta構造の異方性場、スイッチング場、およびSOT有効場に対するCoとTaの間にC中間層を挿入した場合の影響を調査しました[23]。得られた磁化スイッチング電流密度は10 ⁶ のオーダーです。 A / cm ² Pt / Co / TaデバイスとPt / Co / C / Taデバイスの両方で。この作業では、これら2つのサンプルで電流によって誘発されるDW運動と傾斜挙動、およびマイクロサイズのPt / Co / Ta競馬場でのDMI強度とDW速度に対するC挿入の影響を調査します。計算されたDMI交換定数にわずかな変化が見られました（| D |）、DMI強度は、主にPt / Co / TaおよびPt / Co / C / TaスタックのPt / Coインターフェースの寄与に由来することを示しています。磁場誘起DW運動では、Pt / Co / C / Taで測定されたDW速度は、大きな磁場下でもPt / Co / Taで測定された速度よりも小さく、ピン止めポテンシャル障壁がDW運動に大きな影響を与えることがわかります。さらに、CIDWMでは、電流によって生成された有効磁場と印加された磁場の間で同じ大きさの磁場誘起運動の速度と比較して、より大きなDW速度が観察されます。これは、電流によって生成されたジュール熱がDWの動きにも影響を与えることを示しています。さらに重要なことに、電流によって引き起こされるDW傾斜現象は、Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / Taスタックで観察されます。これは、スピンホール有効場と組み合わされた電流生成エルステッド場によって十分に説明できます。

メソッド

2つのフィルムスタックTa（3）/ Pt（5）/ Co（0.6）/ Ta（5）およびTa（3）/ Pt（5）/ Co（0.6）/ C（2）/ Ta（5）（厚さnm）は、4.0×10 ^-5 未満のベース圧力で直流マグネトロンスパッタリングにより、室温でコーニングガラス基板上に堆積されました。 Pa。下部の3nm Taはシード層として使用され、上部のTa層には約1.5 nmのTaO _x があります。 空気暴露によるキャッピング層[17、24]。その後、フィルムスタックは、CIDWMを調査するための標準的なリソグラフィーとArイオンミリング技術を使用して、Pt / Co / TaとPt / Co / C / Taのそれぞれ8.5μmと3.0μmの幅のレーストラックにパターン化されました。さらに、同じ手法を使用してパターン化された幅8.5μmのホールバーを使用して、面外フィールド（ H ）を測定しました。 _z ）依存の異常なホール抵抗（ R _ホール ）異なる面内バイアスフィールド（ H _x ）現在の方向に沿ってスピンホール有効場（ H _SHE ）そして、Paiらによって報告されたDMI強度を推定します。 [25]。彼らの報告では、 R のシフト _ホール - H _z H でループします _x キラルNéelDWモデルでよく説明できます。シフトは H として定義されました _SHE 、SOT効率を定量化するために使用できますχ ≡ H _SHE / J （ J は充電電流密度です）。この方法は、この作業でDMI強度とSOT効率を特徴づけるために使用されました。さらに、極性カー効果を備えた磁気光学カー顕微鏡を使用して、室温で印加された場または電流パルスの下でのDW運動を監視しました。

結果と考察

カイラルNéelDWモデルに基づいて、最初に面内バイアス場 H の下で異常なホールループを調査しました。 _x DMI強度とSOT効率を取得します（追加ファイル1を参照）。得られたDMI有効場（ H _DMI ）Pt / Co / TaとPt / Co / C / Taの場合、それぞれ約1370と1055Oeです。飽和したχ （χ ^土 ）最大のSOT効率を表すのは、約10.0および8.3 Oe /（10 ⁶ A / cm ² ）それぞれPt / Co / TaおよびPt / Co / C / Taの場合。減少したχ ^土 Pt / Co / C / Taの場合、CoとCの間の界面、およびCとTaの間の界面からの相互拡散と化学反応により、スピンフリッピングの確率が高まり、上部Taからのスピン電流の効果的な注入が減少する可能性があります。 。さらに、DMI交換定数の強度| D |測定された| H から計算することもできます _DMI | | D を使用する | =μ ₀ M _s ∆ | H _DMI | [26]、ここで ∆ はDW幅であり、交換剛性定数 A に関連しています。 有効なPMAエネルギー密度 K _eff ∆ を介して =（ A / K _eff ） ^1/2 。 M の使用 _s （それぞれ約1.213×10 ⁶ および1.288×10 ⁶ Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / Taの場合はA / m）および K _eff （それぞれ約4.1×10 ⁵ および2.1×10 ⁵ J / m ³ 前の作業で報告され、 A を想定した場合の、Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / Taの場合） ≈1。 5×10 ⁻¹¹ J / m [27]、推定| D | =1.01±0.16mJ / m ² Pt / Co / Taおよび| D の場合 | =1.15±0.14mJ / m ² Pt / Co / C / Taの場合。 | D の違い |これらの2つのサンプルでは値が弱いようです。これは、合計DMI強度が、下部のPt / Coインターフェイスと上部のCo / TaまたはCo / Cインターフェイスの2つの寄与に起因することで説明できます。下部のPt / Coインターフェースは非常に類似しているため、| D に等しく貢献します。 |。一方、トップのCo / TaまたはCo / Cインターフェースからの貢献については、Ma etal。 [28]は| D | Taによって誘発されるものはPtによって誘発されるものよりはるかに弱い。したがって、上部のCo / Taインターフェースは、合計| D の寄与に対して弱いです。 |。また、Cのスピン軌道相互作用が非常に弱いため、上部のCo / Cインターフェイスからの寄与も無視できます。また、下部のPt / Coインターフェイスと上部のCo / Taインターフェイスの両方がDMIに寄与しますが、部分的にキャンセルされる可能性があることにも注意してください。互いに[28]、わずかに減少する| D | Pt / Co / C / Taサンプルと比較したPt / Co / Taサンプルの場合。結果として、同様の| D | Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / Taサンプルの場合、DMI強度は主にPt / Coインターフェースの寄与に由来することがわかります。さらに、これら2つのサンプルでは、​​ H _DMI / H _K （Pt / Co / TaとPt / Co / C / Taの場合はそれぞれ約0.2と0.3）は2 /πよりも小さいです。 H _DMI NéelDWを安定化するために必要な理論的しきい値を超えていない[25、26]、これら2つのサンプルのキラルNéelDWは、以下で説明するCIDWMの動作を観察することによって示されます。一方、異常なホールは面内バイアス場（ H ）の下でループします _y ）現在の方向に直交することも調査されます。 H が大きいのに _y 適用されると、 R のシフト _ホール - H _z ループは非常に小さいです（追加ファイル1を参照）。その H が原因である可能性があります _y カイラルネール型DWをブロッホ型DWに徐々に変換し、有効場 H _SHE 式[10、29、30]によると、ブロッホタイプのDWの場合はほぼゼロです。

ここで、θ _SHE 、さん 、 t _F 、 J _x 、\（\ widehat {m} \）および\（\ widehat {j} \）は、有効スピンホール角、FM層の飽和磁化、FM層の厚さ、 x に沿った電流密度を表します。 方向、磁化の単位ベクトル、電流密度の単位ベクトル。

次に、DW速度（ v ）面外磁場および面内電流パルスの下で、カー顕微鏡を使用して測定し、DW運動の挙動を調査しました。事前に準備されたDWは、反対側の大きな磁場で競馬場が飽和した後、核形成場のすぐ上にある磁場パルスを使用して形成されました。 H での速度 _z 2つのサンプルのパルスを図1a、bに示します。 Pt / Co / C / Taの場合、 v 大きな駆動磁場下でも、Pt / Co / Taサンプルよりも小さいです。これはおそらく、C装飾後の欠陥の形成がはるかに多く、ピンニングフィールドが増加するためです[23]。また、lg v H に比例します _z ^-1/4 、クリープ法則に従ったDW運動のクリープレジームを示します[31]：

面外場の関数としてのDW速度 H _z Pt / Co / Taの場合（ a ）およびPt / Co / C / Ta（ b ）。 a の挿入図 および b DWの形状を示すために、さまざまなフィールドのドメインのスナップショットを表します

ここで U _C は、障害によって誘発されるピン止めの可能性 k に関連する特徴的なエネルギーです。 _B はボルツマン定数、 T は温度、 H _dep は、ゼーマンエネルギーがDWピン止めエネルギーと等しくなるピン止め解除フィールドです。近似勾配は、\（\ frac {U_c} {k_BT} {H_ {dep}} ^ {1/4} =s \）、 s の測定値を示します。 約37.4と76.5Oe ^1/4 それぞれ、Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / Taの場合。 H 以降 _dep Pt / Co / C / Taの場合はPt / Co / Taの場合の2倍であり[23]、 H の差は _dep ^1/4 それらの間は1.5よりも小さいです。ただし、 s の違い それらの間は2より大きい。これは、Pt / Co / C / Taサンプルのピン止め電位が大きいことを示しており、これは上記の説明と一致しています。さらに、図1a、bの挿入図は、さまざまな磁場下でのドメイン画像のスナップショットも示しています。 DW形状はPt / Co / C / TaよりもPt / Co / C / Taの方が分布が大きいことがわかります。また、ランダムに分布したピン止めサイトを誘発するC装飾のために、ピン留め電位がPt / Co / C / Taで完全に均一ではないことも示しています。一方、これら2つのサンプルでは、​​磁場下での通常のDW傾斜は観察されません。これは、理論的な集合座標モデル[20]とは異なります。

その後、CIDWMの動作も調査され、フィールドに起因するDWの動きと比較されました。 up-to-down（UD）またはdown-to-up（DU）ドメインは、最初に飽和状態からのパルス磁場によって核形成され、次にパルス電流が印加され、 5〜100nsの範囲のパルス幅。図2a、bは、磁場を印加しない場合のCIDWM速度を示しています。正または負の速度は、現在の方向に沿った、または現在の方向に対するDWの動きを意味します。これは、これら2つのサンプルにDMIが存在するキラルNéelDWの形成を意味します[10、30]。より高い電流密度での速度の増加は、 H の増加によるものです。 _SHE キラルNéelDWに作用します。ただし、Pt / Co / Ta構造の場合と比較して、Pt / Co / C / Taで同じDW速度に達するには、2倍の電流密度が必要です。これは、C界面装飾によるSOT効率の低下とピン止めポテンシャル障壁の増加に起因する可能性があります。また、電流駆動によるDW速度は約10 ³ 磁場と同じ値を維持しながら、電流によって生成された有効磁場で駆動する磁場の場合の倍になります。これは、電流から生成されたジュール熱および/またはエルステッド場などの他のメカニズムもCIDWMで重要な役割を果たす可能性があることを示しています。図2bおよび図3cでは、電流密度が±19.2 MA / cm 2 。一方、図1および2の挿入図には、白または黒のドットのような核生成領域が多く見られます。より高い電流密度での2bおよび3c。これは、存在する大きなジュール熱により、熱が大きな電流密度でいくつかのランダムな核形成サイトを活性化し、ピン止めポテンシャル障壁の風景も再分配される可能性があり、運動速度と傾斜角度に影響を与える可能性があるためと考えられます。

Pt / Co / Taの電流密度に対するDW速度（ a ）およびPt / Co / C / Ta（ b ）。 a の挿入図 および b 代表的な電流密度でのドメイン形状のスナップショットを表す

（ a ）カー画像は、DW傾斜角（ψ）の定義を示します ）およびψの変更 Pt / Co / Taサンプルを例として、「アップ」から「ダウン」状態および「ダウン」から「アップ」状態までのさまざまな電流密度で。 Pt / Co / TaのDW傾斜角と電流密度の関係（ b ）およびPt / Co / C / Ta（ c ）。 b の挿入図 および c さまざまな電流密度でのドメイン形状のスナップショットを表す

電流によるDW運動中、これら2つのサンプルでDW傾斜現象が明確に観察され、十分な短いパルスを駆動力として、時間依存の観察で傾斜が徐々に形成されます。電流によって引き起こされるDW傾斜についての洞察を得るために、DW傾斜角度（ψ）を測定します。 ）これは、さまざまな電流密度で図3aに定義されています。また、レーストラックに沿ったピン止め解除の分布が広いため、モーション中に傾斜角がわずかに変化する可能性があり、特定の電流密度で大きな測定誤差が発生する可能性があることにも注意してください。図3bから、cは、両方のサンプルの電流密度に対する傾斜角のほぼ線形の依存性を見ることができます。これは、以前の理論的研究[20]と一致しており、傾斜角とDW速度のより低い電流密度へのほぼ線形の依存性を観察することができます。ただし、シミュレーションでは、少なくとも1桁大きい電流密度で大きなDW傾斜角が発生します。これは私たちの観察と一致しておらず、私たちの実験では、フィールドによって誘発されたDW運動中に傾斜挙動も観察されていません。したがって、電流によって誘発されるDW傾斜に対するピンニングポテンシャル障壁のDMIまたは段階的分布の影響は弱い可能性があります。さらに、異常なホール効果もDWの傾きにつながる可能性がありますが、ナノメートルの厚さの競馬場ではその寄与は小さいと予想されます[20]。考えられる理由の1つは、印加された電流がスピンホール有効場 H を生成するだけではないということです。 _SHE 、だけでなく、エルステッドフィールド（ H _{エルステッド} ）これもDWモーションにつながる可能性があります。両方の H _SHE および H _{エルステッド} DWの傾きに影響を与える可能性があります。図4では、これらの有効場のスケッチをプロットして、DWの傾斜動作を明確にしています。ドメイン配置はU-D-U-Dスケッチとして示され、左手キラリティーを持つDWの磁化は、面内方向に沿った細い黒い矢印として示されます。薄くて均一な競馬場で、厚さ（ t ）は幅（ w ）よりはるかに小さい ）、生成された H _{エルステッド} は2つのエッジに集中しており、厚さ全体の平均成分は H で計算できます。 _{エルステッド} = ± jt [3 + 2ln w / t ] /4π[22]。得られた H _{エルステッド} 最大電流密度10.0および19.2MA / cm ² を使用した場合、Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / TaのOeは約19.6および37.4です。 それぞれ、スピンホール有効場 H に相当します。 _SHE （同じ電流密度でのPt / Co / TaとPt / Co / C / Taの場合は約100.0と159.4Oe）。 H 以降 _SHE および H _{エルステッド} 緑の星としてマークされた位置で同じ方向を持っている場合、より大きな有効場が緑の星の領域でDWに作用し、その結果、競馬場の緑の星の反対側の領域に比べてはるかに大きな速度になります。したがって、図4の左下のパネルに示すように、特定の台形形状の傾斜DWを形成できます。Pt/ Co / Taの図3bの挿入図も、いくつかの代表的な電流密度で同様の形状を示しています。さらに、より高い電流密度での傾斜角の増加は、 H の増加による競馬場の両端の大きな速度差によって説明される可能性があります。 _{エルステッド} 。一方、上記の分析によれば、ドメインの配置および/または現在の極性が変化すると、ドメインの形状が変化することがわかります。電流パルスでスケッチされたすべてのドメイン形状は、実験的観察と一致しています。さらに、DW傾斜に関する上記の説明は、面内 H の場合にも有効です。 _x または H _y 適用されます。 H の場合 _x を適用すると、DWの磁化方向が変化します。したがって、 H _SHE H と反対の元の水平磁化を持つDWの符号を変更します _x 、台形のドメインを拡大または縮小します（ H の符号に応じて） _x ）図4の右中央のパネルに示されているように。 H の場合 _y 適用されると、強い H _y NéelタイプのDWをBlochタイプに変更します。 H _SHE 式に従ってゼロになります。 （1）、および現在生成されているエルステッドフィールド H のみ _{エルステッド} DWモーションを駆動します。これにより、ドメインが一方のエッジで拡張されます。エッジでのドメインの変更が H として発生することもわかります。 _y 図4の右下のパネルに示されているように、は約-1400 Oeです。これは、 H の分析と一致しています。 _{エルステッド} 唯一の推進力がDWの動きに関与しているためです。ただし、通常のDW傾斜動作を引き起こすことはできません。したがって、電流によって誘発されたDW傾斜は、スピンホール有効場と組み合わされた電流によって誘発されたエルステッド場に起因する可能性があります。

電流密度 J での概略的なDWモーションとドメイン形状 。左上のパネルは、U-D-U-Dスケッチを含むドメインと、ドメインおよびDWの磁化方向（細い黒い矢印）を示しています。電流が流れると、生成された H _SHE DWに作用するものは赤い太い矢印で示され、エルステッドフィールド（ H _{エルステッド} ）競馬場の両側に青い破線の矢印で示されています。左下のパネルは、 H のアクションの下でのドメイン形状の対応する変化（破線の太い黒いブロックとして示されている）を示しています _SHE および H _{エルステッド} 。右のパネルは、Pt / Co / Ta

のドメイン形状に対する面内磁場の影響を示しています。

結論

要約すると、電流によって誘発される磁壁の動きと傾斜は、Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / Ta構造で観察されます。 DMI強度とSOT効率は、1.01±0.16（1.15±0.14）mJ / m ² に達することができる輸送測定方法を使用して取得されます。 および10.0（8.3）Oe / MA / cm ² それぞれ、Pt / Co / Ta（Pt / Co / C / Ta）サンプルの場合。 Pt / Co / TaおよびPt / Co / C / Taサンプルの同様のDMI強度は、DMI強度が主にPt / Coインターフェースの寄与に由来することを示しています。 Pt / Co / C / Taの電界誘起DW運動におけるDW速度の低下は、DW速度がピン止めポテンシャル障壁に関連していることを示しています。さらに、電流によって生成されたジュール熱とエルステッド場は、DWの動きと傾斜に重要な役割を果たします。レーストラックメモリアプリケーションの場合、大電流で生成されるエルステッドフィールドを検討する必要があります。これは、記録ビットの形状を劇的に変化させ、記録ビットの領域を縮小することさえあるためです。これは、実際のアプリケーションには有益ではない場合があります。私たちの調査結果は、SOTベースの競馬場メモリでDWモーションを駆動するためのいくつかの設計の見通しを提供する可能性があります。

略語

CIDWM：

電流による磁壁の動き

DMI：

DzyaloshinskiiとMoriyaの相互作用

D-U：

下から上へ

DW：

磁壁

FIDWM：

電界誘起磁壁運動

FM：

強磁性体

HM：

ヘビーメタル

PMA：

垂直磁気異方性

SOT：

スピン軌道相互作用

STT：

スピン伝達トルク

U-D：

上から下へ