Spin-Orbit Couple Aangedreven Domeinwand Dynamiek en Kanteling in Perpendiculair Gemagnetiseerde Pt/Co/Ta Racetracks

Samenvatting

We onderzoeken hoe de invoeging van een koolstof-interlaag de Dzyaloshinskii-Moriya interactie (DMI), stroom-geïnduceerde domeinwand (DW) snelheid en kanteling beïnvloedt in Pt/Co/Ta racetracks. Magneto-optische Kerr-microscopie onthult dat de DMI-sterkte gedomineerd wordt door de Pt/Co-interface, vergelijkbaar voor Pt/Co/Ta en Pt/Co/C/Ta stacks. In Pt/Co/Ta bereiken DW's tientallen m/s bij enkele MA cm⁻² stroomdichtheden, terwijl Pt/Co/C/Ta ongeveer het dubbele van de stroom vereist om vergelijkbare snelheden te bereiken, wat de invloed van spin-orbit couple (SOT) efficiëntie en pinningsbarrières benadrukt. Vergeleken met veld-geïnduceerde DW-beweging (FIDWM), is de DW-snelheid onder identieke effectieve velden ~10³ keer groter in stroom-gedreven experimenten, wat een significante bijdrage van Joule-verhitting aangeeft. Verder observeren we een duidelijke stroom-geïnduceerde DW-kanteling die afwezig is in FIDWM, wat de rol van het Oersted-veld benadrukt. Deze resultaten bieden ontwerpinzichten voor efficiënte SOT-gebaseerde racetrack-geheugens.

Achtergrond

Stroom-geïnduceerde magnetische domeinwandbeweging (CIDWM) is een sleutelmechanisme voor next-generatie racetrack-geheugenapparaten. Vroege studies focusten op ferromagneten (FMs) met in-plane anisotropie, waar spin-transfer couple (STT) DW's aandreef. Later werd CIDWM gedemonstreerd in perpendicular magnetische anisotropie (PMA) systemen, doch de richting van DW-voortplanting tegensprak soms STT-voorspellingen. In zware-metaal (HM)/FM bilagen genereren spin-orbit couples (SOTs) gegenereerd door de spin Hall-effect (SHE) en/of Rashba-effect, samen met interfaciale DMI, chirale DW's die langs de stroomrichting bewegen. Het verbeteren van CIDWM-efficiëntie vereist dus HM-lagen met grote spin Hall-hoeken (θ_SH) en zorgvuldige engineering van interfaciale eigenschappen. Verschillende strategieën – dikte-tuning, interface-decoratie, kristallijnheidscontrole en zuurstofincorporatie – zijn gebruikt om θ_SH en de effectieve SOT-efficiëntie te maximaliseren. HM/FM/HM trilagen, waar twee HM-lagen bijdragen met tegengestelde θ_SH tekens, kunnen de netto couple verder verhogen. De DMI-sterkte in dergelijke structuren wordt ook gewijzigd, wat DW-snelheid en kantelingsgedrag beïnvloedt. Recente modellen voorspellen dat DMI en pinningslandschappen de mate van DW-kanteling onder stroom bepalen.

In eerdere werk onderzochten we het effect van het invoegen van een dunne koolstof (C) laag tussen Co en Ta in Pt/Co/Ta stacks, waarbij veranderingen in anisotropie, schakelvelden en SOT-effectieve velden werden waargenomen. Hier breiden we die studie uit om stroom-gedreven DW-beweging en kanteling te analyseren, kwantificerend hoe C-invoeging DMI, pinningspotentieel en SOT-efficiëntie beïnvloedt in micro-grootte Pt/Co/Ta racetracks.

Methoden

Twee filmstacks – Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/Ta(5 nm) en Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/C(2 nm)/Ta(5 nm) – werden gedeponeerd op Corning glas bij kamertemperatuur door DC magnetron sputtering (basisdruk < 4,0 × 10⁻⁵ Pa). De bodem Ta dient als zaadlaag, terwijl de top Ta een ~1,5 nm TaO_x kap vormt na blootstelling aan lucht. De films werden gepatroneerd in 8,5 µm en 3,0 µm brede racetracks, respectievelijk, met standaard lithografie en Ar-ionen etching. Hall-balken van identieke breedte werden gefabriceerd om het uit-van-vlak veld (H_z)-afhankelijke anomale Hall-weerstand (R_Hall) te meten onder verschillende in-plane biasvelden (H_x) langs de stroomrichting. Door de verschuiving van de R_Hall-H_z lussen (H_SHE) te extraheren, kwantificeerden we de SOT-efficiëntie χ = H_SHE/J. Een polaire Kerr-microscoop monitorde DW-beweging onder toegepaste velden of stroompulsen bij kamertemperatuur.

Resultaten en Discussie

Met het chirale Néel DW-model bepaalden we eerst DMI en SOT-parameters uit anomale Hall-metingen. De effectieve DMI-velden (H_DMI) voor Pt/Co/Ta en Pt/Co/C/Ta waren ~1370 Oe en ~1055 Oe, respectievelijk, terwijl de verzadigde SOT-efficiënties χ^sat 10,0 Oe/(10⁶ A cm⁻²) en 8,3 Oe/(10⁶ A cm⁻²) waren. De lichte reductie in χ^sat voor de C-gedecoreerde stack反映 waarschijnlijk verhoogde interfaciale spin-flip strooiing. Berekende DMI-uitwisselingsconstanten |D| waren 1,01 ± 0,16 mJ m⁻² (Pt/Co/Ta) en 1,15 ± 0,14 mJ m⁻² (Pt/Co/C/Ta), wat aangeeft dat de Pt/Co-interface de DMI domineert in beide stacks. Aangezien H_DMI/H_K < 2/π, is de Néel-karakter van de DW's stabiel, bevestigd door CIDWM-experimenten.

Veld-gedreven DW-snelheden werden gemeten onder uit-van-vlak magnetische pulsen. Beide stacks vertoonden een creep-achtige afhankelijkheid v ∝ exp[−(U_c/k_BT)(H_dep/H)^1/4]. Het depinningsveld H_dep was ruwweg twee keer zo groot voor Pt/Co/Ta in de C-gedecoreerde stack, en de hellingsparameter s was groter (37,4 Oe^1/4 vs. 76,5 Oe^1/4), wat een hoger pinningspotentieel bevestigt. Domeinbeelden toonden meer onregelmatige DW-vormen in Pt/Co/C/Ta, consistent met een non-uniforme pinningslandschap.

Stroom-gedreven DW-beweging werd vervolgens bestudeerd. DW-snelheden namen toe met stroomdichtheid, maar het bereiken van dezelfde snelheid in Pt/Co/C/Ta vereiste ongeveer het dubbele van de stroomdichtheid, wat verminderde SOT-efficiëntie en verhoogde pinnings weerspiegelt. Opvallend was dat de CIDWM-snelheid ~10³ keer groter was dan die gedreven door een equivalent magnetisch veld, wat de impact van Joule-verhitting en mogelijk het Oersted-veld benadrukt. Bij hoge stromen (± 19,2 MA cm⁻²) observeerden we verminderde snelheden, verhoogde nucleatieplaatsen en gewijzigde DW-kanteling, wat thermisch geactiveerde processen en een herschapen pinningslandschap suggereert.

DW-kanteling ontstond alleen onder stroom-aandrijving. De kantelhoek ψ groeide ongeveer lineair met stroomdichtheid voor beide stacks, in overeenstemming met recente theoretische voorspellingen. Veld-gedreven experimenten toonden geen kanteling, wat impliceert dat het Oersted-veld – gegenereerd door de stroom – een cruciale rol speelt. Berekende Oersted-velden (~19,6 Oe voor Pt/Co/Ta en ~37,4 Oe voor Pt/Co/C/Ta bij maximumstroom) zijn vergelijkbaar met H_SHE, en aangezien beide velden in dezelfde richting werken op specifieke posities langs de racetrack, ervaart de DW een non-uniforme effectieve veld, wat de waargenomen trapeziumvormige domeinvormen produceert. In-plane biasvelden (H_x, H_y) wijzigen de DW-chiraliteit en de relatieve sterkte van H_SHE en H_Oersted, wat verder kanteling en domeinuitbreiding beïnvloedt.

Conclusies

We tonen aan dat zowel DW-beweging als kanteling sterk beïnvloed worden door SOT-efficiëntie, pinningspotentieel, Joule-verhitting en het Oersted-veld in Pt/Co/Ta en Pt/Co/C/Ta racetracks. De DMI-sterkte (~1 mJ m⁻²) wordt gedomineerd door de Pt/Co-interface, terwijl C-invoeging de SOT-efficiëntie matig verlaagt en pinnings verhoogt. Stroom-gedreven DW-snelheden bereiken tientallen m/s bij enkele MA cm⁻², maar de aanwezigheid van een aanzienlijk Oersted-veld kan domeinvormen vervormen, wat praktische racetrack-geheugenontwerpen kan beperken. Deze inzichten leiden de engineering van SOT-gebaseerde racetracks met geoptimaliseerde DW-dynamiek.

Afkortingen

CIDWM:

Stroom-geïnduceerde domeinwandbeweging

DMI:

Dzyaloshinskii-Moriya interactie

D-U:

Down-to-up

DW:

Domeinwand

FIDWM:

Veld-geïnduceerde domeinwandbeweging

FMs:

Ferromagneten

HM:

Zwaar metaal

PMA:

Perpendiculaire magnetische anisotropie

SOT:

Spin-orbit couple

STT:

Spin-transfer couple

U-D:

Up-to-down