Движение и наклон доменной стенки под действием тока на перпендикулярно намагниченных беговых дорожках

Фон

Индуцированное током движение магнитной доменной стенки (CIDWM) в беговых дорожках выявило недавно разработанное магнитное запоминающее устройство на беговой дорожке [1, 2]. Благодаря этой многообещающей перспективе за последние несколько десятилетий была проделана большая работа. CIDWM был впервые исследован в ферромагнетиках (FM) с плоской магнитной анизотропией, и вращающий момент передачи спина, генерируемый спин-поляризованным током (STT), действует как движущая сила [3, 4]. Впоследствии CIDWM был реализован также в ФМ с перпендикулярной магнитной анизотропией (ПМА) [5, 6]. Однако в некоторых материалах ПМА направление движения доменной стенки (ДГ) противоположно направлению потока электронов, что противоречит предсказанию STT [7, 8]. Было обнаружено множество других работ, согласно которым движение DW происходит вдоль текущего направления в двухслойных структурах хэви-метал (HM) / FM с PMA. Было продемонстрировано, что спин-орбитальные моменты (SOT), создаваемые HM за счет спинового эффекта Холла и / или эффекта Рашбы вместе с межфазным взаимодействием Дзялошинского-Мориа (DMI) из-за структурной инверсионной асимметрии FM, считаются движущими киральным движением DW. вдоль текущего направления [9, 10]. Следовательно, чтобы повысить эффективность CIDWM, требуется HM с большим углом Холла спина ( θ _SH ) для создания большего крутящего момента для движения DW. Было затрачено много усилий на получение большого θ _SH ТМ путем изменения толщины ТМ [11, 12], декорирования границы раздела между ТМ и ФМ [13, 14], изменения кристалличности ТМ [15] и даже вовлечения кислорода в ТМ [16]. Кроме того, некоторые отчеты также достигают большого эффективного θ _SH на основе структур HM / FM / HM, в которых два слоя HM имеют противоположный знак θ _SH [17,18,19]. Когда ток проходит через два слоя HM, генерируемые спиновые токи из двух типов слоев HM будут работать совместно, чтобы повысить эффективность SOT для уменьшения плотности тока для переключения намагниченности или движения DW. Между тем, сила DMI в таких трехслойных слоях может отличаться от двухслойных, поскольку есть два межфазных взаимодействия по обе стороны от FM-слоя. Было обнаружено, что сила DMI имеет большое влияние на скорость DW, когда была предложена расширенная коллективная координатная модель для объяснения наклонного поведения DW [20]. Кроме того, о наклоне DW также сообщалось в микросхемах GaMnAs [20,21,22].

В нашей предыдущей работе мы исследовали влияние вставки прослойки C между Co и Ta на поле анизотропии, поле переключения и эффективные поля SOT в структурах Pt / Co / Ta с PMA [23]. Полученная плотность тока переключения намагниченности составляет порядка 10 ⁶ А / см ² в обоих устройствах Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta. В этой работе мы исследуем индуцированное током движение и наклон стенки в этих двух образцах, а также влияние введения C на прочность DMI и скорость DW в микродинамических треках Pt / Co / Ta. Мы обнаружили небольшое изменение расчетной константы обмена DMI (| D |), указывая на то, что сила DMI в основном обусловлена ​​вкладом интерфейса Pt / Co в стопках Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta. В индуцированном полем движении ДГ измеренная скорость ДГ в Pt / Co / C / Ta меньше, чем в Pt / Co / Ta даже при большом магнитном поле, показывая, что потенциальный барьер пиннинга имеет большое влияние на движение ДГ. Кроме того, в CIDWM наблюдается большая скорость DW по сравнению со скоростью движения, индуцированного полем, с той же самой величиной между действующим полем, генерируемым током, и приложенным магнитным полем. Это показывает, что генерируемое током джоулева нагревание также влияет на движение DW. Что еще более важно, в пакетах Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta наблюдается индуцированный током наклон ДГ, который можно хорошо объяснить генерируемым током полем Эрстеда в сочетании со спиновым полем Холла.

Методы

Две стопки пленок Ta (3) / Pt (5) / Co (0,6) / Ta (5) и Ta (3) / Pt (5) / Co (0,6) / C (2) / Ta (5) (толщина в дюймах). нм) были нанесены на стеклянные подложки Corning при комнатной температуре с помощью магнетронного распыления на постоянном токе с базовым давлением ниже 4,0 × 10 ⁻⁵ Па. Нижний 3 нм Ta используется в качестве затравочного слоя, а верхний слой Ta имеет около 1,5 нм TaO _x закрывающий слой за счет воздействия воздуха [17, 24]. После этого пакеты пленок были сформированы в виде дорожек шириной 8,5 мкм и 3,0 мкм для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta, соответственно, с использованием стандартной литографии и методов измельчения с использованием ионов Ar для исследования CIDWM. Кроме того, для измерения поля вне плоскости ( H _z ) -зависимое аномальное сопротивление Холла ( R _Холл ) при различных полях смещения в плоскости ( H _x ) вдоль текущего направления для достижения эффективного поля спинового Холла ( H _ОНА ) и оцените силу DMI, как сообщает Pai et al. [25]. В их отчете изменение R _Холл - H _z петли на H _x хорошо объясняется киральной моделью DW Нееля. Сдвиг был определен как H _ОНА , который можно использовать для количественной оценки эффективности SOT χ ≡ H _ОНА / J ( Дж - плотность тока заряда). Метод был использован для характеристики силы DMI и эффективности SOT в данной работе. Кроме того, магнитооптический микроскоп Керра с полярным эффектом Керра использовался для наблюдения за движением ДГ под действием приложенного поля или импульса тока при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Основываясь на киральной модели DW Нееля, мы сначала исследовали аномальные петли Холла под действием поля смещения в плоскости H _x для получения силы DMI и эффективности SOT (см. Дополнительный файл 1). Полученное эффективное поле DMI ( H _DMI ) для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta составляет около 1370 и 1055 Э, соответственно. Насыщенный χ ( χ ^сел ), что соответствует наибольшей эффективности SOT, составляет около 10,0 и 8,3 э / (10 ⁶ А / см ² ) для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta соответственно. Уменьшенный χ ^сел для Pt / Co / C / Ta может заключаться в том, что некоторая взаимная диффузия и химическая реакция на границе между Co и C, а также на границе между C и Ta увеличивают вероятность переворота спина и уменьшают эффективную инжекцию спинового тока из верхней части Ta . Кроме того, сила постоянной обмена DMI | D | также можно рассчитать по измеренному | H _DMI | используя | D | = мк ₀ M _s ∆ | H _DMI | [26], где ∆ - ширина DW и относится к константе обменной жесткости A и эффективная плотность энергии PMA K _эфф через ∆ =( A / К _эфф ) ^1/2 . Использование M _s (соответственно около 1,213 × 10 ⁶ и 1,288 × 10 ⁶ A / m для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta) и K _эфф (соответственно около 4,1 × 10 ⁵ и 2,1 × 10 ⁵ Дж / м ³ для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta), как сообщалось в предыдущей работе, и предполагая A ≈ 1 . 5 × 10 ⁻¹¹ Дж / m [27], оцениваем | D | =1,01 ± 0,16 мДж / м ² для Pt / Co / Ta и | D | =1,15 ± 0,14 мДж / м ² для Pt / Co / C / Ta. Разница | D | значение кажется слабым в этих двух образцах. Это можно объяснить тем, что общая сила DMI является результатом двух вкладов нижних интерфейсов Pt / Co и верхних интерфейсов Co / Ta или Co / C. Поскольку нижние интерфейсы Pt / Co очень похожи, они вносят равный вклад в | D |, Принимая во внимание, что вклад верхнего интерфейса Co / Ta или Co / C, Ma et al. [28] сообщили, что | D | индуцированный Ta намного слабее, чем Pt. Следовательно, верхняя граница раздела Co / Ta является слабой для вклада всего | D |, И вклад верхнего интерфейса Co / C также незначителен из-за очень слабой спин-орбитальной связи C. Также отмечено, что как нижний интерфейс Pt / Co, так и верхний интерфейс Co / Ta вносят вклад в DMI, но могут частично нейтрализовать друг друга [28], что привело к незначительному уменьшению | D | для образцов Pt / Co / Ta по сравнению с образцами Pt / Co / C / Ta. Как следствие, аналогичный | D | для образцов Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta показывает, что сила DMI в основном обусловлена ​​вкладом интерфейса Pt / Co. Кроме того, для этих двух образцов H _DMI / H _К (соответственно около 0,2 и 0,3 для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta) меньше 2 / π. Хотя H _DMI не превышает теоретический порог, необходимый для стабилизации ДГ Нееля [25, 26], хиральная ДГ Нееля в этих двух образцах демонстрируется путем наблюдения за поведением CIDWM, которое будет обсуждаться ниже. Между тем, аномальные петли Холла под действием поля смещения в плоскости ( H _y ), ортогональные направлению тока. Даже если большой H _y применяется сдвиг R _Холл - H _z петли довольно малы (см. Дополнительный файл 1). Это могло быть из-за того, что H _y постепенно преобразует киральные ДГ типа Нееля в ДГ Блоховского типа, а эффективное поле H _ОНА близка к нулю для ДГ блоховского типа по формуле [10, 29, 30]:

где, θ _ОНА , г-жа , t _F , Дж _x , \ (\ widehat {m} \) и \ (\ widehat {j} \) представляют собой эффективный угол Холла спина, намагниченность насыщения FM-слоя, толщину FM-слоя, плотность тока вдоль x направление, единичный вектор намагниченности и единичный вектор плотности тока соответственно.

Затем скорость DW ( v ) под действием внеплоскостного магнитного поля и импульса тока в плоскости были измерены с помощью микроскопа Керра для исследования поведения движения ДВ. Предварительно подготовленная DW была сформирована с использованием импульса магнитного поля чуть выше поля зародышеобразования после насыщения ипподрома при противоположном большом магнитном поле. Скорость ниже H _z Импульс показан на рис. 1а, б для двух образцов. Для Pt / Co / C / Ta, v по-прежнему меньше, чем у образца Pt / Co / Ta даже при большом управляющем магнитном поле. Возможно, это связано с тем, что после декорирования С образуется гораздо больше дефектов, что увеличивает поля пиннинга [23]. Также видно, что lg v пропорционально H _z ^-1/4 , указывающий на ползучесть движения ДВ по закону ползучести [31]:

Скорость ДГ как функция поля вне плоскости H _z для Pt / Co / Ta ( a ) и Pt / Co / C / Ta ( b ). Вставки в a и b представляют снимки доменов в разных полях, чтобы показать форму DW

где U _C - характерная энергия, связанная с потенциалом пиннинга, вызванным беспорядком, k _B постоянная Больцмана, T - температура, а H _dep - поле депиннинга, при котором зеемановская энергия равна энергии пиннинга ДГ. Подгоняемый наклон дает измерение \ (\ frac {U_c} {k_BT} {H_ {dep}} ^ {1/4} =s \), s составляет около 37,4 и 76,5 э ^1/4 для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta соответственно. Поскольку H _dep для Pt / Co / C / Ta в два раза больше, чем для Pt / Co / Ta [23], разница H _dep ^1/4 между ними меньше 1,5. Однако разница в s между ними больше 2. Это указывает на то, что образец Pt / Co / C / Ta имеет больший потенциал пиннинга, что согласуется с приведенным выше обсуждением. Кроме того, на вставках к рис. 1а, б также представлены снимки изображений доменов в различных магнитных полях. Видно, что форма DW показывает большее распределение для Pt / Co / C / Ta, чем для Pt / Co / Ta. Это также указывает на то, что потенциал пиннинга не совсем однороден в Pt / Co / C / Ta из-за декорирования C, вызывающего случайно распределенные сайты пиннинга. В то же время регулярный наклон ДГ под действием магнитного поля для этих двух образцов не наблюдается, что отличается от теоретической коллективно-координатной модели [20].

Впоследствии поведение CIDWM также было исследовано для сравнения с движением DW, индуцированным полем. Домен восходящий (UD) или восходящий (DU) сначала зарождался импульсным магнитным полем из насыщенного состояния, а затем подавался импульсный ток, чтобы подтолкнуть движение DW с помощью генератора импульсов с длительность импульса в диапазоне 5–100 нс. На рис. 2а, б показана скорость CIDWM без каких-либо приложенных магнитных полей. Положительная или отрицательная скорость означает движение ДВ вдоль или против направления тока. Это означает образование киральной ДГ Нееля с наличием ДМИ в этих двух образцах [10, 30]. Повышенная скорость при более высокой плотности тока происходит из-за увеличения H _ОНА действующий на киральной DW Нееля. Однако для достижения такой же скорости DW в Pt / Co / C / Ta по сравнению со структурой Pt / Co / Ta требуется удвоенная плотность тока. Это может быть связано с пониженной эффективностью SOT и повышенным потенциальным барьером закрепления за счет декорирования поверхности C. Более того, скорость DW при текущем движении составляет около 10 ³ раз больше, чем при возбуждении магнитным полем, при этом создаваемое током эффективное поле сохраняется на том же уровне, что и магнитное поле. Это показывает, что другие механизмы, такие как джоулев нагрев и / или поле Эрстеда, генерируемое током, также могут играть важную роль в CIDWM. Следует отметить, что на рис. 2б, а также на рис. 3в наблюдается уменьшение скорости ДВ и угла наклона ДГ в образце Pt / Co / C / Ta при плотности тока ± 19,2 МА / см 2 . Между тем, на вставке рис. 2b и 3c при более высоких плотностях тока. Это можно приписать тому, что термическое воздействие активирует некоторые случайные центры зародышеобразования при больших плотностях тока из-за существующего большого джоулева нагрева, а ландшафт пиннингового потенциального барьера также может быть перераспределен, что может оказывать влияние на скорость движения и угол наклона.

Скорость DW в зависимости от плотности тока для Pt / Co / Ta ( a ) и Pt / Co / C / Ta ( b ). Вставки в a и b представляют собой снимки формы домена при представительной плотности тока

( а ) Керровские изображения дают определение угла наклона ДВ ( ψ ) и изменения ψ при различных плотностях тока от «вверх» до «вниз» и от «вниз» до «вверх», на примере образца Pt / Co / Ta. Зависимость угла наклона DW от плотности тока для Pt / Co / Ta ( b ) и Pt / Co / C / Ta ( c ). Вставки в b и c представляют собой снимки формы домена при различной плотности тока

Во время индуцированного током движения DW в этих двух образцах четко наблюдается явление наклона DW, и наклон постепенно формируется при наблюдении, зависящем от времени, с достаточно коротким импульсом в качестве движущей силы. Чтобы получить представление об индуцированном током наклоне ДВ, мы измеряем угол наклона ДВ ( ψ ), которая определена на рис. 3а при различных плотностях тока. Также следует отметить, что угол наклона может незначительно изменяться во время движения из-за широкого распределения депиннинга вдоль беговых дорожек, что приведет к большой ошибке измерения при определенной плотности тока. Из рис. 3б, в видна примерно линейная зависимость угла наклона от плотности тока для обоих образцов. Это согласуется с предыдущей теоретической работой [20], в которой можно наблюдать примерно линейные зависимости угла наклона и скорости ДГ от меньшей плотности тока. Однако большой угол наклона ДГ случается с плотностью тока, по крайней мере, на порядок большей в их моделировании. Это не согласуется с нашими наблюдениями, и наклонное поведение также не наблюдается во время индуцированного полем движения ДГ в нашем эксперименте. Следовательно, влияние DMI или градиентного распределения потенциального барьера пиннинга на индуцированный током наклон DW может быть слабым. Кроме того, аномальный эффект Холла также может приводить к наклону ДГ, но ожидается, что этот вклад будет небольшим в гоночной трассе нанометровой толщины [20]. Одно из возможных объяснений состоит в том, что приложенный ток не только генерирует эффективное поле спинового Холла H _ОНА , но также поле Эрстеда ( H _Эрстед ), что также может привести к движению ДГ. Оба H _ОНА и H _Эрстед может повлиять на наклон DW. На рис. 4 мы построили эскиз этих эффективных полей, чтобы прояснить поведение наклона ДГ. Расположение доменов показано в виде эскизов U-D-U-D, а намагниченность в DW с левой хиральностью показана тонкой черной стрелкой вдоль ориентации в плоскости. В тонкой однородной беговой дорожке, если толщина ( t ) намного меньше ширины ( w ), сгенерированный H _Эрстед сосредоточен на двух кромках, и его усредненная составляющая по толщине может быть рассчитана с помощью H _Эрстед = ± jt [3 + 2ln w / t ] / 4π [22]. Полученное H _Эрстед составляют около 19,6 и 37,4 Э для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta при максимальной плотности тока 10,0 и 19,2 МА / см ² соответственно, что сравнимо со спиновым эффективным полем Холла H _ОНА (около 100,0 и 159,4 Э для Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta при одинаковых плотностях тока). Поскольку H _ОНА и H _Эрстед имеют одинаковое направление в позициях, отмеченных зелеными звездами, большее эффективное поле будет воздействовать на DW в области зеленой звезды, что приведет к гораздо большей скорости по сравнению со скоростью в противоположной области зеленых звезд на ипподроме. Следовательно, может быть сформирована наклонная DW с определенной формой трапеции, показанной на левой нижней панели фиг. 4. Вставка на фиг. 3b для Pt / Co / Ta также, очевидно, показывает аналогичную форму при некоторых характерных плотностях тока. Более того, увеличенный угол наклона при более высокой плотности тока можно объяснить большой разницей скоростей по обоим краям беговой дорожки из-за увеличения H _Эрстед . Между тем, можно обнаружить, что форма домена будет претерпевать трансформацию при изменении расположения доменов и / или полярности тока в соответствии с приведенным выше анализом. Вся очерченная форма доменов в импульсе тока согласуется с экспериментальными наблюдениями. Более того, приведенное выше объяснение наклона DW также действительно, когда плоскостной H _x или H _y применены. Когда H _x применяется, это изменит ориентацию намагниченности в DW. Следовательно, H _ОНА изменит знак ДГ с его исходной горизонтальной намагниченностью, противоположной H _x , что заставляет домен в форме трапеции расширяться или сжиматься (в зависимости от знака H _x ), как показано на правой средней панели рис. 4. Когда H _y применяется сильный H _y изменит ДВ типа Нееля на Блоховский. H _ОНА станет равным нулю согласно формуле. (1), и только текущее сгенерированное поле Эрстеда H _Эрстед управляет движением DW. Это заставит домен расшириться с одного края. Также видно, что изменение домена на краю происходит как H _y составляет около -1400 э, как показано на правой нижней панели рис. 4. Это согласуется с анализом, согласно которому H _Эрстед поскольку единственная движущая сила ответственна за движение DW. Однако это не может привести к обычному наклону DW. Следовательно, индуцированный током наклон ДГ можно приписать индуцированному током полю Эрстеда в сочетании со спиновым эффективным полем Холла.

Схема движения ДВ и формы доменов при плотности тока Дж . На левой верхней панели показан домен с U-D-U-D эскизами и ориентацией намагниченности (тонкая черная стрелка) в домене и DW. После подачи тока сгенерированный H _ОНА действующие на DW показаны толстыми красными стрелками, а поля Эрстеда ( H _Эрстед ) по обеим сторонам ипподрома показаны пунктирными синими стрелками. Левая нижняя панель показывает соответствующее изменение формы домена (обозначено черными жирными блоками) под действием H _ОНА и H _Эрстед . На правой панели показано влияние плоских магнитных полей на форму домена для Pt / Co / Ta

Выводы

Таким образом, индуцированные током движение и наклон доменной стенки наблюдаются в структурах Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta. Сила DMI и эффективность SOT получены с использованием метода измерения переноса, который может достигать 1,01 ± 0,16 (1,15 ± 0,14) мДж / м ² и 10,0 (8,3) Э / МА / см ² для образцов Pt / Co / Ta (Pt / Co / C / Ta) соответственно. Сходная сила DMI для образцов Pt / Co / Ta и Pt / Co / C / Ta показывает, что сила DMI в основном обусловлена ​​вкладом границы раздела Pt / Co. Пониженная скорость ДГ при движении ДГ под действием поля для Pt / Co / C / Ta указывает на то, что скорость ДГ связана с потенциальным барьером пиннинга. Кроме того, генерируемое током джоулева нагревание и поле Эрстеда играют значительную роль в движении и наклоне ДГ. Для приложения памяти с ипподромом следует учитывать большое поле Эрстеда, генерируемое током, так как оно резко изменит форму записываемого бита и даже сократит площадь записываемых битов. Это может быть невыгодно для практического применения. Наши результаты могут дать некоторые перспективы для создания движения DW в воспоминаниях гоночных треков на основе SOT.

Сокращения

CIDWM:

Вызванное током движение доменной стенки

DMI:

Взаимодействие Дзялошинского – Мория

Д-У:

Вверх

DW:

Стена домена

FIDWM:

Движение доменной стенки, индуцированное полем

FM:

Ферромагнетики

HM:

Хэви-метал

PMA:

Перпендикулярная магнитная анизотропия

SOT:

Вращающий момент на орбите

STT:

Крутящий момент передачи вращения

U-D:

Вверх-вниз