[論文レビュー] Angular harmonic Hall voltage and magnetoresistance measurements of Pt/FeCoB and Pt-Ti/FeCoB bilayers for spin Hall conductivity determination

Witold Skowroński, Krzysztof Grochot+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 45被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Pt/FeCoBおよびPt-Ti/FeCoBバイライヤーにおけるスピンホール伝導度（σSH）を正確に決定する包括的な実験プロトコルを提示する。角度依存ホール電圧とフェロ磁性共鳴測定を組み合わせ、低ノイズ静的輸送、動的FMR、界面透過率補正を統合することで、5.6 nmのPtで記録的なσSH 3.3×10⁵ S/mを達成。W、Ta、その他の重金属を上回り、スピントロニクス応用における最高水準の材料であるPtの確立に寄与する。

ABSTRACT

Materials with significant spin-orbit coupling enable efficient spin-to-charge interconversion, which can be utilized in novel spin electronic devices. A number of elements, mainly heavy-metals (HM) have been identified to produce a sizable spin current ($j_\mathrm{s}$), while supplied with a charge current ($j$), detected mainly in the neighbouring ferromagnetic (FM) layer. Apart from the spin Hall angle $ heta_\mathrm{SH}$ = $j_\mathrm{s}$/$j$, spin Hall conductivity ($\sigma_\mathrm{SH}$) is an important parameter, which takes also the resistivity of the material into account. In this work, we present a measurement protocol of the HM/FM bilayers, which enables for a precise $\sigma_\mathrm{SH}$ determination. Static transport measurements, including resistivity and magnetization measurements are accompanied by the angular harmonic Hall voltage analysis in a dedicated low-noise rotating probe station. Dynamic characterization includes effective magnetization and magnetization damping measurement, which enable HM/FM interface absorption calculation. We validate the measurement protocol in Pt and Pt-Ti underlayers in contact with FeCoB and present the $\sigma_\mathrm{SH}$ of up to 3.3$ imes$10$^5$ S/m, which exceeds the values typically measured in other HM, such as W or Ta.

研究の動機と目的

• HM/FMバイライヤーにおけるスピンホール伝導度（σSH）を正確に決定するための堅牢で多周波数の測定プロトコルの開発。
• 垂直磁気異方性や場の効果トルクが無視できるという厳密な要件を満たさない既存手法の限界を克服する。
• Pt/FeCoBおよびPt-Ti/FeCoB系にプロトコルを検証し、σSH、θSH、界面透過率の正確な抽出を可能にする。
• Ptの厚さおよびPt-Ti界面数がスピン輸送特性（抵抗率および減衰）に与える影響を定量的に評価する。
• 他の材料と比較することで、PtおよびPt-Ti/FeCoBをスピンオービットトルクデバイスの高性能候補として確立する。

提案手法

• nV分解能の超高感度測定を可能にする低ノイズ回転プローブステーションと線形駆動装置を用いて、高調波ホール電圧を測定。
• x-y（α）、y-z（β）、x-z（γ）の各平面で角度依存ホール電圧および磁気抵抗測定を実施し、AMRおよびSMR成分を分離。
• フェロ磁性共鳴（FMR）を用いて、有効磁化、減衰、HM/FM界面でのスピン吸収を抽出。
• 抵抗率、磁化、FMRデータを統合したモデルベース解析により、スピンホール伝導度σSH = ξSH / ρHMを計算。
• 界面透過率（T）を組み込んだ内在的スピンホール角の計算式θSH = ξDL / Tを適用。Tはスピン拡산長および混合伝導度から導出。
• 2段階リソグラフィーおよびイオンビームエッチングを用いて、PtウェッジおよびPt-Tiマルチレイヤースタック上にホールバー素子を形成し、厚さおよび界面構造の系統的変化を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直磁気異方性を要件としない統一された測定プロトコルにより、Pt/FeCoBおよびPt-Ti/FeCoBバイライヤーにおけるスピンホール伝導度（σSH）を正確に決定可能か？
• RQ2 多層構造におけるPtの厚さおよびPt-Ti界面数がスピンホール伝導度（σSH）に与える影響は何か？
• RQ3 界面透過率が内在的スピンホール角（θSH）に果たす役割は何か。また、Tの補正はσSHの計算にどのように影響するか？
• RQ4 異なるバイライヤー構成における測定されたSMRおよびAMR成分は、σSHおよび抵抗率とどのように相関するか？
• RQ5 Ptベースの系は、WやTaなどの他の重金属を上回るσSHを達成可能か。その性能向上を可能にする要因は何か？

主な発見

• 5.6 nmのPt/FeCoBにおけるスピンホール伝導度（σSH）は3.3×10⁵ S/mに達し、いかなる重金属または合金に対しても報告済み最高値の一つである。
• Pt-Ti/FeCoBでは、3つのPt-Ti界面を有する場合にσSHが3.2×10⁵ S/mに達し、界面工学によりσSHが向上するが、電気的コンダクタンスが低下しないことが示された。
• 5.6 nmのPtでは内在的スピンホール角（θSH）が0.35に達し、Ptの厚さおよび界面構造に応じて0.12〜0.35の範囲で変動した。
• スピンホール磁気抵抗（SMR）はすべてのサンプルでσSHに比例するが、抵抗率は逆の傾向を示し、σSHが主要な性能指標であることを裏付けた。
• 界面透過率（T）は0.42〜0.51の範囲にあり、Tの補正により内在的θSHが顕著に向上し、Ptでは最大0.35の値が得られた。
• 本プロトコルにより、多結晶で垂直磁気異方性が無い系においても、AMRとSMR成分を効果的に分離し、スピン輸送パラメータを正確に抽出できた。