Модуляция динамики намагничивания через взаимодействие Дзялошинского–Мория в двухинтерфейсных МТЖ с переносом спина

Аннотация

В настоящее время двухинтерфейсные магнитные туннельные контакты (МТЖ) разрабатываются для повышения теплового барьера стабильности в наномасштабных технологических узлах. Взаимодействие Дзялошинского–Мория (ДМ) неизбежно присутствует в таких устройствах из-за использования структур тяжелый металл/ферромагнит. Предыдущие работы демонстрировали вредное влияние ДМ на обычные одноинтерфейсные МТЖ с переносом спина (STT). Здесь мы доказываем, что вредный эффект ДМ может быть практически устранен в двухинтерфейсных STT-МТЖ. Этот вывод объясняется подавляющим действием взаимодействия Рудермана–Киттел–Касуи–Ёсиды (RKKY) на ДМ. Детальные механизмы проанализированы на основе теоретических моделей и результатов микромагнитного моделирования. Наша работа подчеркивает важность правильного контроля ДМ в композитном свободном слое двухинтерфейсных STT-МТЖ.

Введение

Магнитная оперативная память (MRAM) — один из самых перспективных кандидатов на роль памяти следующего поколения благодаря низкому потреблению, высокой плотности, быстрому доступу, практически бесконечной выносливости и совместимости с CMOS-технологией. Элементарное устройство MRAM — магнитный туннельный контакт (МТЖ), состоящий из туннельного барьера между двумя ферромагнитными слоями (закрепленный и свободный). Благодаря прогрессу в перпендикулярной анизотропии размер МТЖ уменьшили ниже 40 нм или даже до 1× нм. Однако вызов для суб-40-нм МТЖ — сохранить адекватный тепловой барьер стабильности E = μ₀MₛHₖV/2. Поскольку E уменьшается при масштабировании, сокращается время удержания данных. Для преодоления этой проблемы предложили двухинтерфейсные МТЖ для достижения высокого E в суб-40-нм узле. Использование двух связанных ферромагнитных слоев как композитного свободного слоя увеличивает эквивалентный объем (V), повышая тепловой барьер, а константа затухания снижается для поддержания низкого тока переключения.

В двухинтерфейсных МТЖ структура ферромагнит/тяжелый металл (ФМ/ТМ) играет важную роль. С одной стороны, ФМ/ТМ усиливает спин-орбитальное взаимодействие (SOI), индуцируя перпендикулярную анизотропию. С другой, тяжелый металл работает как промежслой между двумя ферромагнитными слоями композитного свободного слоя, обеспечивая взаимодействие RKKY, которое ферромагнитно связывает намагниченности двух слоев, так что они ведут себя как единый слой. Кроме того, сильное SOI тяжелого металла в сочетании с атомными спинами ферромагнита формирует антисимметричный обменный заряд — взаимодействие Дзялошинского–Мория (ДМ). Следовательно, ДМ естественным образом возникает в двухинтерфейсных МТЖ с ФМ/ТМ структурами. ДМ способствует хиральным магнитным текстурам (спиральным спинам, скайрмионам, доменным стенкам Нееля) и драматически влияет на динамику намагничивания. Роль ДМ становится более сложной в двухинтерфейсных МТЖ, так как нужно учитывать два ФМ/ТМ интерфейса вместе с дополнительным RKKY взаимодействием. Поэтому важно раскрыть эффект ДМ на двухинтерфейсные МТЖ.

В этой работе впервые изучается процесс переключения двухинтерфейсных МТЖ под действием ДМ и RKKY взаимодействия. Переключение осуществляется переносом спина (STT) — основным подходом записи данных в MRAM. Недавно сообщалось, что ДМ вредно влияет на STT-переключение. Наши результаты показывают, что в двухинтерфейсных МТЖ вредное действие ДМ подавляется RKKY взаимодействием, обеспечивая быстрое переключение и более равномерную динамику. Мы доказываем устойчивость двухинтерфейсных STT-МТЖ к негативным интерфейсным эффектам.

Методы

Изучаемое устройство показано на рис. 1a, с ФМ/ТМ/ФМ структурой как композитным свободным слоем. Толщина ТМ-слоя подбирается так, чтобы индуцированное RKKY взаимодействие ферромагнитно связывало два ФМ-слоя. Один ФМ-слой магнитно мягче (FL1), другой — жестче (FL2). Для переключения намагниченности композитного свободного слоя к двухинтерфейсному МТЖ приложен ток, генерирующий STT. Здесь учитываем только переданный STT от опорного слоя к FL1, остальные моменты между FL1 и FL2 пренебрегаем. Эта упрощенная модель согласуется с предыдущими работами. ДМ возникает на обоих интерфейсах ФМ/ТМ и ТМ/ФМ и имеет противоположные знаки из-за разной хиральности.

Динамику намагниченности FL1 и FL2 изучали микромагнитным моделированием. Временная эволюция единичного вектора намагниченности задается уравнением Ландау–Лифшица–Гилберта (ЛЛГ). Использовали пакет OOMMF (открытое микромагнитное моделирование) для моделирования структуры и решения ЛЛГ.

Энергия RKKY между парой магнитных моментов mᵢ и mⱼ определяется как Eᵢⱼ = σ[1 − mᵢ·mⱼ]/Δᵢⱼ, где σ — билинейный поверхностный обменный коэффициент, Δᵢⱼ — размер дискретизации. Для ферромагнитного связывания σ > 0, RKKY стремится сделать mᵢ параллельным mⱼ. ДМ действует на соседние атомные спины S₁ и S₂ через третий атом с большим SOI. Гамильтониан ДМ: H_DM = −D₁₂·(S₁×S₂). Таким образом, ДМ снижает равномерность между S₁ и S₂, конкурируя с RKKY.

Результаты и обсуждение

Сначала показаны типичные результаты моделирования временной зависимости m_z (рис. 1b). Если RKKY достаточно сильно (σ = 1×10⁻³ Дж/м² в случаях A и B), FL1 и FL2 связаны вместе, их динамика почти идентична, независимо от ДМ. Введение ДМ искажает процесс переключения (случай B), что согласуется с литературой и объясняется антисимметричным обменом ДМ. Если RKKY недостаточно силен, динамика FL1 и FL2 не идеально связаны, наблюдается значительная разница (случай C). Дальнейшие результаты получены при достаточно сильном RKKY, если не указано иное.

Затем изучали скорость переключения при различных RKKY. Скорость отражается временем, когда m_z достигает 0 (время переключения). D₁ и D₂ заданы положительными и отрицательными значениями соответственно. Результаты на рис. 2. Без ДМ время переключения растет с усилением RKKY, согласуясь с другими работами. Причина: более сильное RKKY делает динамику FL1 и FL2 более когерентной, эквивалентно увеличивая анизотропию композитного свободного слоя. В присутствии ДМ зависимость времени переключения от силы RKKY становится более хаотичной. Этот хаос приписывается несоответствию анизотропий между FL1 и FL2.

Далее детально изучали эффект ДМ. Рис. 3 показывает время переключения как функцию силы ДМ. Важно: на рис. 3a D₁ и D₂ намеренно заданы одинаковыми положительными значениями, хотя в реальности они противоположны. Это виртуальный случай для проверки модели. С точки зрения теории, вредные эффекты двух положительных ДМ накапливаются под действием ферромагнитного RKKY, поэтому время переключения должно расти с увеличением D₁ и D₂, как в предыдущих работах. Это согласуется с рис. 3a, валидируя модель. Напротив, если D₁ и D₂ имеют противоположные знаки (рис. 3b), изменение времени переключения намного меньше. Эффекты ДМ на двух интерфейсах могут быть взаимно компенсированы при подборе величин D₁ и D₂ (рис. 3c).

Энергия ДМ выражается как E_DM = t ∬ D[m_x(∂m_z/∂x) − m_z(∂m_x/∂x) + m_y(∂m_z/∂y) − m_z(∂m_y/∂y)] d²r = tDε_DM. При достаточно сильном RKKY динамика FL1 и FL2 почти идентична, получается одинаковое ε_DM. Тогда общая энергия ДМ FL1 и FL2: E_tot = (t₁D₁ + t₂D₂)ε_DM. Следовательно, при D₁/D₂ = −t₂/t₁ эффекты ДМ полностью компенсируются при большом σ, в согласии с рис. 3c. Это подтверждается дополнительными результатами рис. 3d.

Эквивалентная величина ДМ (D_eq) композитного свободного слоя: D_eq = (t₁D₁ + t₂D₂)/(t₁ + t₂). Для проверки эффективности этой формулы на рис. 4a показаны две группы результатов при одинаковом D_eq, но разных парах {D₁, D₂}. Общие тренды похожи, подтверждая вредное влияние ДМ на STT-переключение. Небольшая разница объясняется разными анизотропиями FL1 и FL2, вызывающими локальные неопределенные колебания динамики (рис. 4c). Идеальный случай на рис. 4b, d (равные анизотропии) показывает хорошее совпадение кривых, подтверждая, что D_eq хорошо описывает эквивалентный эффект ДМ.

Наконец, анализируем временную эволюцию динамики намагничивания. Рис. 5 показывает временные зависимости энергий при переключении. Энергии ДМ FL1 и FL2 накапливаются или компенсируются в зависимости от знаков и величин D₁, D₂. Энергии RKKY остаются низкими, подтверждая синхронное движение магнитных моментов. Распределения полей RKKY и ДМ на рис. 6. RKKY поле играет разные роли. Во-первых, при ненулевом ДМ (случаи 2, 3) RKKY поле намного сильнее, чем при нулевом ДМ (случай 1) — оно должно преодолеть дополнительную неравномерность магнитных текстур. Во-вторых, если D₁ и D₂ противоположны, RKKY поле противостоит ДМ полям в обоих слоях (случай 2), ослабляя ДМ и делая динамику более равномерной. Если же D₁ и D₂ одного знака, RKKY поле противостоит ДМ в одном слое, но помогает ему в другом (случай 3) — общий эффект ДМ сохраняется.

Рис. 7 показывает микромагнитные конфигурации FL1 и FL2 во время переключения. Доменные стены появляются во всех случаях, но при определенных моментах наблюдаются различия. Известно, что ДМ способствует неравномерным магнитным текстурам. Тем не менее, на рис. 7 равномерное намагничивание формируется даже при наличии ДМ (момент m_z = -0,5 в случае 2), если эффект ДМ компенсирован. Это снова подтверждает теоретическую модель. Динамика более неравномерна, если D₁ и D₂ одного знака (случай 3, доменная стена всегда присутствует). Результаты для меньших МТЖ (последние две строки рис. 7) показывают более выраженную разницу между случаем 2 (ДМ компенсирован) и случаем 3 (ДМ не компенсирован).

Заключение

Мы всесторонне изучили влияние ДМ на двухинтерфейсные STT-МТЖ. Двухинтерфейсные МТЖ разрабатывались для повышения теплового барьера стабильности. В этой работе мы доказали еще одно преимущество: подавление вредного эффекта ДМ. ДМ в двух ферромагнитных слоях может быть подавлен или даже полностью компенсирован, если они настроены с подходящими значениями и противоположными знаками, что естественным образом выполняется в структуре двухинтерфейсных STT-МТЖ. Предложены теоретические модели для объяснения. Обсуждены результаты микромагнитного моделирования, раскрывающие роли ДМ в динамике намагничивания. Наша работа дает реалистичный подход к минимизации ДМ в двухинтерфейсных STT-МТЖ.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

ДМ

Взаимодействие Дзялошинского–Мория

FL

Свободный слой

ФМ/ТМ

Ферромагнит/тяжелый металл

MRAM

Магнитная оперативная память

МТЖ

Магнитный туннельный контакт

RKKY

Рудерман–Киттел–Касуя–Ёсида

SOI

Спин-орбитальное взаимодействие

STT

Перенос спина