[論文レビュー] Low Gilbert Damping Constant in Perpendicularly Magnetized W/CoFeB/MgO Films with High Thermal Stability

Dustin M. Lattery, Delin Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、垂直磁気異方性（PMA）を示すW/CoFeB/MgO膜におけるギルバート減衰定数（α）を、時間分解磁気光学カー効果を用いて、後処理焼鈍温度の変化に伴うαの測定を通じて調査した。350 °Cでαの最小値0.016が達成され、これはCoFeBの結晶化と界面デッド層の成長という相反する効果に起因する。また、Taを用いた基準膜との比較により、熱的安定性の向上が確認された。

ABSTRACT

Perpendicular magnetic materials with low damping constant and high thermal stability have great potential for realizing high-density, non-volatile, and low-power consumption spintronic devices, which can sustain operation reliability for high processing temperatures. In this work, we study the Gilbert damping constant (α) of perpendicularly magnetized W/CoFeB/MgO films with a high perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and superb thermal stability. The α of these PMA films annealed at different temperatures is determined via an all-optical Time-Resolved Magneto-Optical Kerr Effect method. We find that α of these W/CoFeB/MgO PMA films decreases with increasing annealing temperature, reaches a minimum of α = 0.016 at an annealing temperature of 350 °C, and then increases to 0.024 after post-annealing at 400 °C. The minimum α observed at 350 °C is rationalized by two competing effects as the annealing temperature becomes higher: the enhanced crystallization of CoFeB and dead-layer growth occurring at the two interfaces of the CoFeB layer. We further demonstrate that α of the 400 °C-annealed W/CoFeB/MgO film is comparable to that of a reference Ta/CoFeB/MgO PMA film annealed at 300 °C, justifying the enhanced thermal stability of the W-seeded CoFeB films.

研究の動機と目的

• 垂直磁化を示すW/CoFeB/MgO膜におけるギルバート減衰定数（α）の温度依存性を特定すること。
• 後処理焼鈍温度に伴うαの変化を支配するメカニズムを同定すること。
• 従来のTa/CoFeB/MgO構造と比較して、Wを種とするCoFeB膜の熱的安定性を評価すること。
• 高密度・低消費電力スピントロニクス素子への応用を想定し、αと熱的安定性の最適化を図ること。

提案手法

• W/CoFeB/MgO膜におけるギルバート減衰定数（α）の測定に、時間分解磁気光学カー効果（TR-MOKE）を用いた。
• αに及ぼす熱的影響を調査するため、300 °Cから400 °Cの範囲で後処理焼鈍を行った。
• 超短パルス光励起後の磁化ダイナミクスの減衰から、減衰定数を抽出した。
• 300 °Cで焼鈍したTa/CoFeB/MgO基準膜についても比較測定を実施した。
• 焼鈍温度に伴うαの傾向を説明するため、界面デッド層形成とCoFeBの結晶化の役割を分析した。
• すべての焼鈍条件下でも垂直磁気異方性（PMA）を維持することで、一貫した磁化配向を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W/CoFeB/MgO膜におけるギルバート減衰定数（α）は、後処理焼鈍温度にどのように依存するか？
• RQ2 焼鈍温度に伴う観察されたαの依存性を支配する主な微視的メカニズムは何か？
• RQ3 W/CoFeB/MgO膜の熱的安定性は、従来のTa/CoFeB/MgO膜と比べてどのように異なるか？
• RQ4 Wを種とするPMA膜において、低α値と高い熱的安定性を同時に達成できるか？
• RQ5 構造的・磁気的完全性を維持した上でαを最小化する最適な焼鈍温度は何か？

主な発見

• W/CoFeB/MgO膜におけるギルバート減衰定数（α）は、焼鈍温度が350 °Cまで上昇するに従い減少し、最小値α = 0.016に達した。
• 400 °Cでαは0.024に増加し、界面デッド層の増大に起因する減衰特性の劣化を示した。
• 350 °Cで観察された最小αは、αを低下させるCoFeBの結晶化と、αを増大させる界面デッド層の成長のバランスに起因する。
• 400 °C焼鈍したW/CoFeB/MgO膜のα値は、300 °Cで焼鈍したTa/CoFeB/MgO膜と同等であり、Wを種とする構造の優れた熱的安定性を裏付けた。
• W/CoFeB/MgO系は、低減衰定数（α = 0.016）を維持しながらも高い熱的安定性を示し、高温・低消費電力スピントロニクス応用に適している。
• 本研究では、界面工学と制御された焼鈍が、PMAを有する磁性ヘテロ構造においてαと熱的安定性の両方を同時に最適化可能であることを示した。