[論文レビュー] External-Field-Free Spin Hall Switching of Perpendicular Magnetic Nanopillar with a Dipole-Coupled Composite Structure

Zhengyang Zhao, Angeline Klemm Smith+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、局所的な面内磁性層が補償ダイポール磁場を生成することで、外部磁場を要しない垂直磁性ナノピラーのスピンホールスイッチングを可能にするダイポール結合型複合構造を提案する。この手法により、約135 Oeの大きな面内補償磁場と、10⁷ A cm⁻²あたり約45 Oeの面外ループシフトを達成し、外部磁場なしの強固なスイッチングを実現した。実験と微磁気シミュレーションにより、長方形および10×10 nm²の円形ピラーの両方で検証された。

ABSTRACT

Spin Hall effect (SHE) induced reversal of perpendicular magnetization has attracted significant interest, due to its potential to lead to low power memory and logic devices. However, the switching requires an assisted in-plane magnetic field, which hampers its practical applications. Here, we introduce a novel approach for external-field-free spin Hall switching of a perpendicular nanomagnet by utilizing a local dipolar field arising from an adjacent in-plane magnetic layer. Robust switching of perpendicular CoFeB nanopillars in a dipole-coupled composite stack is experimentally demonstrated in the absence of any external magnetic field, in consistent with the results of micromagnetic simulation. Large in-plane compensation field of about 135 Oe and out-of-plane loop shift of about 45 Oe / 10 7 A cm-2 are obtained in the nanopillar devices with composite structure. By performing micromagnetic simulations, we confirm the composite external-field-free switching strategy can also work for a 10 x 10 nm2 circular pillar. Compared with other proposed methods for external-field-free spin Hall switching of perpendicular magnetization, the dipole-coupled composite structure is compatible with a wide range of spin Hall systems and perpendicular magnetic tunnel junctions, paving the way towards practical SHE-based MRAM and logic applications.

研究の動機と目的

• スピンホール効果（SHE）誘発スイッチングにおける垂直磁性ナノ構造の外部面内磁場の必要性を克服すること。
• 既存のスピンホールおよび磁気トンネル接合技術と互換性のある実用的で外部磁場を要しないスイッチングメカニズムを開発すること。
• 外部磁場を一切印加しない垂直コバルト鉄ボランタイト（CoFeB）ナノピラーにおいて、強固で再現可能なスイッチングを実証すること。
• 異なる幾何形状において、実験的測定と微磁気シミュレーションの両方でこのアプローチを検証すること。

提案手法

• 垂直CoFeB磁性ナノピラーと隣接する面内磁性層を統合し、ダイポール結合型複合構造を形成すること。
• 面内層からのダイポール磁場を活用して、合成磁気異方性場を補償し、外部磁場なしのスイッチングを可能にすること。
• プラチナやタングステン（W）などの重金属層を介してスピンホール電流を印加し、垂直磁性層にスピンオービットトーキーを誘発すること。
• 電流密度を変化させた条件下で磁気ヒステリシスループを測定し、スイッチング特性とループシフトを定量すること。
• 長方形および円形ピラーの両幾何形状におけるスイッチングダイナミクスをモデル化・確認するための微磁気シミュレーションを実施すること。
• 10×10 nm²の円形ピラーを用いたモデルを用いて、外部磁場なしスイッチングメカニズムのスケーラビリティと強度を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイポール結合型複合構造を用いることで、外部磁場なしの垂直磁性ナノピラーにおけるスピンホールスイッチングを達成できるか？
• RQ2 このようなシステムで達成可能な面内補償磁場および面外ループシフトの大きさはどの程度か？
• RQ3 ダイポール結合構造が、外部磁場を一切要せず強固なスイッチングを実現するメカニズムは何か？
• RQ4 10×10 nm²ピラーのようなより小さなデバイス寸法へ、提案されたメカニズムはスケーラブルか？
• RQ5 微磁気シミュレーションは、実験的スイッチング行動をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• ダイポール結合型複合構造を用いた垂直CoFeBナノピラーにおける外部磁場なしの強固なスイッチングが、実験的に実証された。
• 約135 Oeの大きな面内補償磁場が達成され、合成異方性磁場を効果的に相殺した。
• 10⁷ A cm⁻²あたり約45 Oeの面外ループシフトが測定され、強力なスピンホールトーキー効率を示した。
• 微磁気シミュレーションにより、10×10 nm²の円形磁性ピラーに対しても本手法の実現可能性が確認され、スケーラビリティが示された。
• 複合構造は、幅広いスピンホール材料および垂直磁気トンネル接合と互換性があり、実用的統合可能性が向上した。
• 実験データとシミュレーションの間で一貫性のある一致が得られ、提案されたスイッチングメカニズムの妥当性が検証された。