Динамика и наклон доменных стенок под действием спин-орбитального момента в перпендикулярно намагниченных Pt/Co/Ta траках

Аннотация

Мы исследуем, как вставка углеродного промежуточного слоя влияет на Дзялошинского-Мория взаимодействие (DMI), скорость доменной стенки (DW), индуцированную током, и наклон в Pt/Co/Ta траках. Магнито-оптическая Керровская микроскопия раскрывает, что сила DMI доминирует на интерфейсе Pt/Co, оставаясь похожей для Pt/Co/Ta и Pt/Co/C/Ta стеков. В Pt/Co/Ta DW достигают десятков м/с при плотностях тока нескольких МА/см², в то время как Pt/Co/C/Ta требует примерно вдвое большего тока для достижения сравнимых скоростей, подчеркивая влияние эффективности спин-орбитального момента (SOT) и барьеров закрепления. По сравнению с полевым движением DW (FIDWM), скорость DW при идентичных эффективных полях в ~10³ раз больше в токо-драйвенных экспериментах, указывая на значительный вклад Джоулевого нагрева. Кроме того, мы наблюдаем выраженное токо-индуцированное наклонение DW, отсутствующее в FIDWM, подчеркивающее роль Эрстедовского поля. Эти результаты дают инсайты для проектирования эффективных растрековых память на базе SOT.

Введение

Токо-индуцированное движение магнитных доменных стенок (CIDWM) является ключевым механизмом для растрековых память следующего поколения. Ранние исследования фокусировались на ферромагнетиках (FM) с в-плоскостной анизотропией, где спин-трансферный момент (STT) двигал DW. Позже CIDWM был продемонстрирован в системах с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA), однако направление распространения DW иногда противоречило предсказаниям STT. В билиаях тяжелый металл (HM)/FM спин-орбитальные моменты (SOT), генерируемые спин-холловым эффектом (SHE) и/или Рашба-эффектом, вместе с интерфейсным DMI, производят хиральные DW, движущиеся по направлению тока. Повышение эффективности CIDWM поэтому требует HM слоев с большими спин-холловыми углами (θ_SH) и тщательной инженерии интерфейсных свойств. Различные стратегии — настройка толщины, декорирование интерфейса, контроль кристалличности и включение кислорода — применялись для максимизации θ_SH и эффективной SOT эффективности. HM/FM/HM трислои, где два HM слоя вносят вклады с противоположными знаками θ_SH, могут дополнительно усилить чистый момент. Сила DMI в таких структурах также модифицируется, влияя на скорость DW и поведение наклона. Недавние модели предсказывают, что DMI и ландшафт закрепления определяют степень наклона DW под током.

В предыдущей работе мы изучали эффект вставки тонкого углеродного (C) слоя между Co и Ta в Pt/Co/Ta стеках, наблюдая изменения в анизотропии, полях переключения и эффективных полях SOT. Здесь мы расширяем то исследование для анализа токо-драйвенного движения DW и наклона, количественно определяя, как вставка C влияет на DMI, потенциал закрепления и SOT эффективность в микронных Pt/Co/Ta траках.

Методы

Две пленочные структуры — Ta(3 нм)/Pt(5 нм)/Co(0,6 нм)/Ta(5 нм) и Ta(3 нм)/Pt(5 нм)/Co(0,6 нм)/C(2 нм)/Ta(5 нм) — осаждали на Corning стекле при комнатной температуре DC магнетронным спуттерингом (базовое давление < 4,0 × 10⁻⁵ Па). Нижний Ta служит как сид-слой, в то время как верхний Ta формирует ~1,5 нм TaO_x капсу после воздействия воздуха. Пленки структурировали в 8,5 мкм и 3,0 мкм широкие траки соответственно, используя стандартную литографию и Ar-ионную травлю. Холловы сойки идентичной ширины изготавливали для измерения внеплоскостного поля (H_z)-зависимого аномального Холлового сопротивления (R_Hall) под различными в-плоскостными смещающими полями (H_x) вдоль направления тока. Извлекая сдвиг циклов R_Hall-H_z (H_SHE), мы количественно определяли SOT эффективность χ = H_SHE/J. Полярный Керровский микроскоп мониторил движение DW под приложенными полями или токо-импульсами при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Используя хиральную модель DW Нееля, мы сначала определили DMI и SOT параметры из аномальных Холловых измерений. Эффективные DMI поля (H_DMI) для Pt/Co/Ta и Pt/Co/C/Ta составляли ~1370 Ое и ~1055 Ое соответственно, тогда как насыщенные SOT эффективности χ^sat были 10,0 Ое/(10⁶ А/см²) и 8,3 Ое/(10⁶ А/см²). Небольшое снижение χ^sat для C-декорированного стека вероятно отражает увеличенное интерфейсное спин-флип рассеяние. Вычисленные DMI обменные константы |D| составляли 1,01 ± 0,16 мДж/м² (Pt/Co/Ta) и 1,15 ± 0,14 мДж/м² (Pt/Co/C/Ta), указывая, что интерфейс Pt/Co доминирует DMI в обоих стеках. Поскольку H_DMI/H_K < 2/π, Неелевский характер DW стабилен, как подтверждается CIDWM экспериментами.

Полевые скорости DW измеряли под внеплоскостными магнитными импульсами. Оба стека демонстрировали крипоподобную зависимость v ∝ exp[−(U_c/k_BT)(H_dep/H)^1/4]. Поле закрепления H_dep было примерно в два раза больше для Pt/Co/Ta в C-декорированном стеке, и параметр наклона s был больше (37,4 Ое^1/4 против 76,5 Ое^1/4), подтверждая более высокий потенциал закрепления. Доменные изображения показывали более неправильные формы DW в Pt/Co/C/Ta, согласующиеся с неоднородным ландшафтом закрепления.

Токо-драйвенное движение DW затем изучали. Скорости DW росли с плотностью тока, но достижение той же скорости в Pt/Co/C/Ta требовало примерно вдвое большей плотности тока, отражая сниженную SOT эффективность и усиленное закрепление. Заметно, что CIDWM скорость была ~10³ раз больше, чем движению при эквивалентном магнитном поле, подчеркивая влияние Джоулева нагрева и возможно Эрстедовского поля. При высоких токах (± 19,2 МА/см²) мы наблюдали сниженные скорости, увеличенные места нуклеации и измененное наклонение DW, предполагая термически активированные процессы и перестроенный ландшафт закрепления.

Наклонение DW возникало только под токо-драйвом. Угол наклона ψ рос примерно линейно с плотностью тока для обоих стеков, в согласии с недавними теоретическими предсказаниями. Полевые эксперименты не показывали наклонения, подразумевая, что Эрстедовское поле — генерируемое током — играет решающую роль. Вычисленные Эрстедовские поля (~19,6 Ое для Pt/Co/Ta и ~37,4 Ое для Pt/Co/C/Ta при максимальном токе) сравнимы с H_SHE, и поскольку оба поля действуют в одном направлении в определенных позициях вдоль траки, DW испытывает неоднородное эффективное поле, производя наблюдаемые трапецеидальные формы доменов. В-плоскостные смещающие поля (H_x, H_y) модифицируют хиральность DW и относительную силу H_SHE и H_Oersted, дополнительно влияя на наклонение и расширение домена.

Заключение

Мы продемонстрировали, что и движение DW, и наклон сильно влияются SOT эффективностью, потенциалом закрепления, Джоулевым нагревом и Эрстедовским полем в Pt/Co/Ta и Pt/Co/C/Ta траках. Сила DMI (~1 мДж/м²) доминирует на интерфейсе Pt/Co, в то время как вставка C умеренно снижает SOT эффективность и увеличивает закрепление. Токо-драйвенные скорости DW достигают десятков м/с при нескольких МА/см², но наличие значимого Эрстедовского поля может искажать формы доменов, что может ограничить практические дизайны растрековой памяти на базе SOT. Эти инсайты направляют инженерию SOT-основанных траков с оптимизированной DW динамикой.

Аббревиатуры

CIDWM:

Токо-индуцированное движение доменной стенки

DMI:

Дзялошинского-Мория взаимодействие

D-U:

Down-to-up

DW:

Доменная стенка

FIDWM:

Полево-индуцированное движение доменной стенки

FMs:

Ферромагнетики

HM:

Тяжелый металл

PMA:

Перпендикулярная магнитная анизотропия

SOT:

Спин-орбитальный момент

STT:

Спин-трансферный момент

U-D:

Up-to-down