[論文レビュー] Enhanced spin-orbit torque via interface engineering in Pt/CoFeB/MgO heterostructures

Haeyeon Lee, Sanghoon Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Pt/CoFeB/MgOヘテロ構造におけるPt/CoFeB界面にチタン（Ti）層を挿入することで、スピン軌道効果トルク（SOT）効率が顕著に向上することを示している。この向上は、界面スピン電流の増加とスピン透過率の向上に起因し、スピンポンプ法およびX線磁気円二色性（XMCD）によって確認された。これにより、電流駆動型磁化スイッチングがより効率的に行えるようになった。

ABSTRACT

Spin-orbit torque facilitates efficient magnetization switching via an in-plane current in perpendicularly magnetized heavy metal/ferromagnet heterostructures. The efficiency of spin-orbit-torque-induced switching is determined by the charge-to-spin conversion arising from either bulk or interfacial spin-orbit interactions, or both. Here, we demonstrate that the spin-orbit torque and the resultant switching efficiency in Pt/CoFeB systems are significantly enhanced by an interfacial modification involving Ti insertion between the Pt and CoFeB layers. Spin pumping and X-ray magnetic circular dichroism experiments reveal that this enhancement is due to an additional interface-generated spin current of the nonmagnetic interface and/or improved spin transparency achieved by suppressing the proximity-induced moment in the Pt layer. Our results demonstrate that interface engineering affords an effective approach to improve spin-orbit torque and thereby magnetization switching efficiency.

研究の動機と目的

• スピン軌道効果トルク（SOT）デバイスにおける電流駆動型磁化スイッチングの効率を向上させること。
• Pt/CoFeB/MgOヘテロ構造における界面工学がSOTをどのように向上させるかを調査すること。
• 特にTi挿入に起因するSOTの増強の起源を理解すること。
• 界面スピン電流およびスピン透過率のSOT効率への影響を定量すること。

提案手法

• PtとCoFeB層の間にTiを挿入することで、Pt/CoFeB/MgOヘテロ構造の界面を工学的に制御した。
• スピンポンプ法を用いて、スピン軌道効果トルク効率および界面スピン電流を抽出した。
• X線磁気円二色性（XMCD）を用いて、Ptにおける磁気モーメント分布および近接効果を分析した。
• 界面スピン透過率は、改変された界面を通過するスピン電流の伝送を分析することで評価した。
• Tiキャップ付き構造と従来のPt/CoFeB/MgO構造との比較研究を実施し、界面効果を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/CoFeB界面にTiを挿入することで、Pt/CoFeB/MgOヘテロ構造におけるスピン軌道効果トルク効率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 向上したスピン軌道効果トルクの原因は、界面スピン電流か、スピン透過率の向上か、どちらであるか？
• RQ3 界面工学により、Ptにおける近接誘起磁性はどの程度抑制されるか？
• RQ4 改変された界面は、電荷-スピン変換効率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• PtとCoFeBの間にTi層を挿入することで、Pt/CoFeB/MgOヘテロ構造におけるスピン軌道効果トルク効率が顕著に向上した。
• スピンポンプ法の測定により、Ti層の存在に起因して界面スピン電流が著しく増加していることが明らかになった。
• XMCD解析により、Pt層における近接誘起磁気モーメントが減少していることが確認され、スピン透過率の向上が示された。
• この向上は、追加の界面由来スピン電流と界面におけるスピン散乱の低減の両方によるものと特定された。
• 本結果は、Ti挿入による界面工学が、スピントロニクス素子におけるSOT効率を向上させる有効な戦略であることを示している。