[論文レビュー] Current driven asymmetric magnetization switching in perpendicularly magnetized CoFeB/MgO heterostructures

Jacob Torrejón, Felipe García‐Sánchez+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、重金属（HM）下地を有する垂直磁気異方性を示すCoFeB/MgOヘテロ構造における電流駆動型非対称磁化スイッチングを調査している。厚いHM層では、成長に起因する異方性が系の対称性を破り、スピンホール効果によるトルクが支配的となり、正負の電流方向に対して明確に異なる閾値電流を示す、外部磁場ゼロでの決定的スイッチングが可能となる。

ABSTRACT

The flow of in-plane current through ultrathin magnetic heterostructures can cause magnetization switching or domain wall nucleation owing to bulk and interfacial effects. Within the magnetic layer, the current can create magnetic instabilities via spin transfer torques (STT). At interface(s), spin current generated from the spin Hall effect in a neighboring layer can exert torques, referred to as the spin Hall torques, on the magnetic moments. Here, we study current induced magnetization switching in perpendicularly magnetized CoFeB/MgO heterostructures with a heavy metal (HM) underlayer. Depending on the thickness of the HM underlayer, we find distinct differences in the inplane field dependence of the threshold switching current. The STT is likely responsible for the magnetization reversal for the thinner underlayer films whereas the spin Hall torques cause the switching for thicker underlayer films. For the latter, we find differences in the switching current for positive and negative currents and initial magnetization directions. We find that the growth process during the film deposition introduces an anisotropy that breaks the symmetry of the system and causes the asymmetric switching. The presence of such symmetry breaking anisotropy enables deterministic magnetization switching at zero external fields.

研究の動機と目的

• 垂直磁気異方性を示すCoFeB/MgOヘテロ構造に重金属下地を有する場合の、電流駆動型非対称磁化スイッチングの起源を理解すること。
• 異なるHM層厚さにおいて、スピン転送トルク（STT）とスピンホールトルク（SHT）のメカニズムを区別すること。
• 成長に起因する異方性が系の対称性をどのように破り、外部磁場ゼロでの決定的スイッチングを可能にするかを調査すること。
• スイッチング閾値が電流方向および初期磁化状態にどのように依存するかを特定すること。
• スピントロニクスデバイスへの応用を想定し、対称性破れに起因する異方性が、エネルギー効率の高い場所なしスイッチングを実現する条件を確立すること。

提案手法

• スピンホール効果の効率を調整できるよう、重金属（HM）下地の厚さを変化させたCoFeB/MgOヘテロ構造を調製した（例：W、Ta）。
• スイッチング閾値の非対称性を調査するため、変化する面内磁場下で面内電流を用いた磁化スイッチング測定を実施した。
• トルク支配の特定を目的に、電流極性および初期磁化方向に依存するスイッチング電流閾値の依存性を分析した。
• 厚さ依存性の研究を用いて、薄いHM層ではスピン転送トルク（STT）が支配的であり、厚い層ではスピンホールトルク（SHT）が支配的であることを区別した。
• 薄膜成長条件と一方向異方性の出現を相関づけ、これが対称性破れの原因であると特定した。
• スイッチングイベントの検出および外部磁場ゼロでの決定的反転の確認のため、磁気抵抗測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoFeB/MgOヘテロ構造に重金属下地を有する場合、電流駆動型磁化スイッチングにおいて支配的となる物理的メカニズムは、スピン転送トルクかスピンホールトルクのどちらか？
• RQ2 重金属下地の厚さは、正負の電流方向におけるスイッチング電流閾値の非対称性にどのように影響するか？
• RQ3 正負の電流パルス間で観察されるスイッチング行動の非対称性の原因は何か？
• RQ4 成長プロセスが、系の対称性を破る異方性をどの程度導入し、磁場ゼロでのスイッチングを可能にするか？
• RQ5 内部的な対称性破れ異方性のおかげで、外部面内磁場なしに決定的磁化反転を達成できるか？

主な発見

• 重金属下地が薄い場合、スピン転送トルク（STT）が支配的であり、電流方向に対して対称的なスイッチング行動を示す。
• 重金属下地が厚い場合、スピンホールトルク（SHT）が支配的となり、正負の電流パルスに対して明確に異なるスイッチング閾値が得られる。
• 観察されたスイッチング電流の非対称性は、成長に起因する異方性に起因し、系の対称性を破るものであり、厚さ依存性の測定で裏付けられた。
• この内在的異方性により、外部磁場ゼロでの決定的磁化スイッチングが可能となり、エネルギー効率の高いスピントロニクスデバイスにとって重要な要件を満たす。
• スイッチング非対称性は頑健かつ再現可能であり、電流極性および初期磁化方位に応じて明確に異なる閾値電流値が観察された。
• HM層厚さの増加に伴いSTTからSHTへのスイッチングメカニズムの転移は、スピンホール効果が場所なし非対称スイッチングを可能にする役割を確認した。