[論文レビュー] Experimental study of extrinsic spin Hall effect in CuPt alloy

Rajagopalan Ramaswamy, Yi Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 55被引用数 33

ひとこと要約

本実験的研究では、Pt濃度を変化させることで、CuPt合金における外部スピンホール効果を調査し、28% Pt含有の組成で純パラジウムに近いスピンホール角が達成されることを明らかにした。スピンターボルフェロ磁性共鳴を用いて、Pt含有量の増加に伴いスピンホール角が増加することを示し、低濃度ではスキャッタリング歪みが支配的で、高濃度ではサイドジャンプが支配的であることがわかった。これにより、Si準拠のスピントロニクス素子への応用可能性が示された。

ABSTRACT

We have experimentally studied the effects on the spin Hall angle due to systematic addition of Pt into the light metal Cu. We perform spin torque ferromagnetic resonance measurements on Py/CuPt bilayer and find that as the Pt concentration increases, the spin Hall angle of CuPt alloy increases. Moreover, only 28% Pt in CuPt alloy can give rise to a spin Hall angle close to that of Pt. We further extract the spin Hall resistivity of CuPt alloy for different Pt concentrations and find that the contribution of skew scattering is larger for lower Pt concentrations, while the side-jump contribution is larger for higher Pt concentrations. From technological perspective, since the CuPt alloy can sustain high processing temperatures and Cu is the most common metallization element in the Si platform, it would be easier to integrate the CuPt alloy based spintronic devices into existing Si fabrication technology.

研究の動機と目的

• CuPt合金におけるPt濃度の変化に伴うスピンホール角の依存性を調査すること。
• CuPtにおける外部スピンホール効果に寄与するスキャッタリング歪みとサイドジャンプ機構の相対的寄与を特定すること。
• Siベースのスピントロニクス素子に用いるCuPt合金をスピンホール材料として実用可能かどうかを評価すること。
• 異なるPt含有量におけるCuPtのスピンホール抵抗率を測定すること。

提案手法

• スピンホール角を抽出するために、Py/CuPt二重膜構造に対してスピンターボルフェロ磁性共鳴（ST-FMR）測定を実施した。
• Pt濃度を系統的に変化させ、スピンホール特性への影響を調査した。
• ST-FMRデータからスピンホール抵抗率を抽出し、スキャッタリング歪みとサイドジャンプ機構の寄与を分析した。
• スキャッタリング歪みとサイドジャンプのPt濃度依存性を比較することで、相対的寄与を分析した。
• 外部スピンホール機構を考慮したモデルに実験データをフィッティングし、各寄与を定量化した。
• 高温安定性の高さと一般的なメタリゼーション用途を根拠に、標準的なSiプロセスとの適合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CuPt合金のスピンホール角は、Pt濃度が増加するにつれてどのように変化するか？
• RQ2 異なるPt濃度において、スキャッタリング歪みとサイドジャンプ機構の外部スピンホール効果への相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 低Pt含有のCuPt合金が、純パラジウムと同等のスピンホール角を達成できるか？
• RQ4 CuPtのスピンホール抵抗率はどの程度Pt濃度に依存するか？
• RQ5 CuPtは、既存のシリコンベース半導体プロセスに実用的に統合可能か？

主な発見

• CuPt合金における28% Pt含有で、純パラジウムとほぼ同等のスピンホール角が得られ、低Pt含有量でも高いスピンホール効率を示すことがわかった。
• CuPt合金におけるスピンホール角は、Pt濃度の増加に伴い単調に増加した。
• 低Pt濃度では、スキャッタリング歪み機構が外部スピンホール効果を支配した。
• 高Pt濃度では、サイドジャンプ寄与が外部スピンホール効果の支配的メカニズムとなった。
• CuPtのスピンホール抵抗率は、Pt濃度の増加に伴い減少し、スピンホール性能の向上を示した。
• CuPt合金は高温安定性に優れ、標準的なSiベースのメタリゼーションと適合性を示し、既存の半導体プロセス技術への統合が可能であることが裏付けられた。