[論文レビュー] Impact of in-plane currents on magnetoresistance properties of an exchange-biased spin-valve with insulating antiferromagnetic layer

D. N. H. Nam, Nguyen Chi Thuan+5 more|ArXiv.org|Jan 9, 2008

Magnetic properties of thin films被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、絶縁性Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O反強磁性層を有する交換バイアス付きスピンバルブにおける面内交流電流の磁気抵抗への影響を調査している。絶縁性反強磁性体であるためスピン偏極電流の注入は不可能であるが、面内電流によるジュール熱がピン留め層の反転を抑制し、磁気抵抗を低下させる。一方、高電流条件下では、鉄磁性層間のスピン転送トルクも依然として寄与している可能性がある。

ABSTRACT

The impact of in-plane alternating currents on the exchange bias, resistance, and magnetoresistance of a CoFe/NiCoO/CoFe/Cu/CoFe spin-valve is studied. With increasing current, the resistance is increased while the maximum magnetoresistance ratio decreases. Noticeably, the reversal of the pinned layer is systematically suppressed in both field sweeping directions. Since the NiCoO oxide is a good insulator, it is expected that the ac current flows only in the CoFe/Cu/CoFe top layers, thus ruling out any presence of spin-transfer torque acting on the spins in the antiferromagnetic layer. Instead, our measurements show clear evidences for the influence of Joule heating caused by the current. Moreover, results from temperature-dependent measurements very much resemble those of the current dependence, indicating that the effect of Joule heating plays a major role in the current-in-plane spin-valve configurations. The results also suggest that spin-transfer torques between ferromagnetic layers might still exist and compete with the exchange bias at sufficiently high currents.

研究の動機と目的

• 面内交流電流が交換バイアス、抵抗、およびスピンバルブにおける磁気抵抗に与える影響を、絶縁性反強磁性層を有するスピンバルブで調査すること。
• 反強磁性体を通過する直接電流が存在しないにもかかわらず、電流面内（CIP）構成においてスピン転送トルク効果が発生するかどうかを特定すること。
• 観察された磁気輸送特性の変化に寄与する熱的（ジュール熱）および非熱的（スピン転送トルク）寄与を区別すること。
• 加熱の役割を分離するために、電流誘起効果と温度依存的挙動を比較すること。
• 高電流条件下におけるCIP幾何構造下での鉄磁性層間のスピン転送トルクの持続性を評価すること。

提案手法

• ベース真空が8×10⁻⁶ mbarの条件下で磁気スパッタリングを用いて、Co₈₅Fe₁₅/Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O/Co₈₅Fe₁₅/Cu/Co₈₅Fe₁₅スピンバルブ構造を作製した。
• 反強磁性層への電流の流れを防ぐために、高抵抗性Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O層（推定値 >100 MΩ）を用い、ジュール熱を主たる熱的メカニズムとする。
• さまざまな電流振幅および継続時間で電流面内（CIP）磁気輸送測定を実施し、抵抗（R(H)）および磁気抵抗（MR(H)）の挙動を調査した。
• 300 K から 400 K までの温度依存測定を実施し、電流誘起効果と熱的効果を比較した。
• 電流印加時および冷却サイクルにおける時間分解抵抗データを分析し、熱的緩和ダイナミクスを検証した。
• R(H)曲線から交換バイアス磁場（Hₑb）を抽出し、電流、温度、電流継続時間との依存関係を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内電流によるジュール熱が、絶縁性反強磁性層を有するスピンバルブにおける交換バイアスおよび磁気抵抗に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ2 反強磁性体への電流の流れがないにもかかわらず、電流面内（CIP）構成において鉄磁性層間のスピン転送トルクが発生する可能性はあるか？
• RQ3 抵抗およびHₑbの電流誘起変化は、温度変化に起因する純粋な熱的効果と定量的にどのように比較できるか？
• RQ4 抵抗値が一致する条件下でも、電流による交換バイアスの抑制が温度のみによるものよりも顕著であるのはなぜか？
• RQ5 ピン留め層の反転抑制に寄与する熱的効果とスピン転送トルクの相対的寄与はどの程度か？

主な発見

• 面内電流の電流振幅を増加させると、抵抗は単調に増加し、最大磁気抵抗比は減少する。
• ピン留め層の反転は、交換バイアスが著しく変化する以前の低電流領域においても、電流増加に伴い体系的に抑制される。
• 温度依存測定では、電流依存測定と定性的に同一の傾向が観察され、ジュール熱が支配的メカニズムであると示唆される。
• 抵抗値が一致する条件下では、電流による交換バイアス磁場は（70 mA、300 KでHₑb ≈ 110 Oe）純粋な熱的効果（0.05 mA、320 KでHₑb ≈ 165 Oe）よりも顕著に抑制される。これは、非熱的効果が存在することを示唆する。
• 70 mA、300 Kにおける抵抗値は、0.05 mA、340 Kにおける抵抗値よりも低い。これは、電流が温度単独の効果よりも抵抗の低下に強い影響を及ぼしていることを示し、CIP幾何構造におけるスピン転送トルクの寄与が示唆される。