[論文レビュー] Phase domain boundary motion and memristance in gradient-doped FeRh nanopillars induced by spin injection

Rowan C. Temple, Mark C. Rosamond+7 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 35被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、スピン注入を用いた勾配ドーピングされたFeRhナノピラーにおいて、電流駆動による反強磁性〜強磁性相境界の移動を実証し、可逆的な抵抗変化を示すメモリスチブ行動を観察した。この効果は、強磁性相から反強磁性相へのスピン極性電子注入に起因し、スピン極性電子がFM相を安定化させ、電子の流れの方向に沿って相境界を移動させる。この現象により、神経形態計算への応用を想定した磁気相状態の電気的制御が可能となる。

ABSTRACT

The B2-ordered alloy FeRh shows a metamagnetic phase transition, transforming from antiferromagnetic (AF) to ferromagnetic (FM) order at a temperature $T_\mathrm{t} \sim 380 $~K in bulk. As well as temperature, the phase transition can be triggered by many means such as strain, chemical doping, or magnetic or electric fields. Its first-order nature means that phase coexistence is possible. Here we show that a phase boundary in a 300~nm diameter nanopillar, controlled by a doping gradient during film growth, is moved by an electrical current in the direction of electron flow. We attribute this to spin injection from one magnetically ordered phase region into the other driving the phase transition in a region just next to the phase boundary. The associated change in resistance of the nanopillar shows memristive properties, suggesting potential applications as memory cells or artificial synapses in neuromorphic computing schemes.

研究の動機と目的

• 勾配ドーピングされたFeRhナノピラーにおける反強磁性〜強磁性相境界の電流駆動移動を実証すること。
• ジュール熱や熱的効果に依存せず、スピン注入がメタ磁性相転移を駆動する役割を調査すること。
• 勾配ドーピングされたFeRh系におけるスピン注入と相境界ダイナミクスの直接的関連を確立すること。
• 電流制御による抵抗スイッチングを通じて、磁気メタマテリアルにおけるメモリスチブ行動を示すこと。
• FeRhナノピラーが神経形態計算における再構成可能メモリまたは人工シナプス素子としての可能性を検討すること。

提案手法

• Pd（転移温度を低下）およびIr（転移温度を上昇）の垂直的ドーピング勾配を有する300 nm径のFeRhナノピラーを調製し、空間的に調整された相転移温度を実現した。
• MgO基板上にニッケルアルミナイド（NiAl）バッファ層を用いた分子束エpitaxyを実施し、エpitaxialなFeRh膜を成長させ、その後700 °Cの真空アニール処理を施してB2秩序を確立した。
• 電子線リソグラフィーとアルゴンイオンマシニングを用いてボトム電極およびナノピラーをパターニングし、リリース法による飛行ブリッジAu接触を形成した。
• 77 K〜500 Kの温度範囲で、パルス電流注入（最大20 mA、約3×10¹¹ A/m²）とナノボルトメータ検出を用いた準4端子測定法により、輸送特性を測定した。
• 高角度アンナラーダークフィールド透過型電子顕微鏡（HAADF-TEM）およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を用いて、ドーピング勾配および微細構造を確認した。
• 320 K（完全に反強磁性）で電流パルスを用いた制御実験を実施し、ジュール熱効果を分離し、抵抗変化が相境界の移動に起因するものであり、熱的効果ではないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性領域から反強磁性領域へのスピン注入が、FeRhにおけるAF/FM相境界の移動を誘発できるか？
• RQ2 電流の向きが、スピン転送トルクメカニズムに一致するように、相境界の移動方向を制御できるか？
• RQ3 電流駆動による相境界移動によって、抵抗が可逆的に変調可能であり、メモリスチブ的特性を示せるか？
• RQ4 ジュール熱効果が抵抗変化にどの程度寄与しているか、スピン注入効果と区別できるか？
• RQ5 勾配ドーピングされたFeRhナノピラー系が、電気的制御可能な磁気メモリまたは人工シナプスのプロトタイプとして機能できるか？

主な発見

• 反強磁性から強磁性への電流注入（電子の流れがAFからFMへ）により、明著な抵抗低下が観察され、相境界がFM相に向かって移動したことが示された。
• 電流を逆転させた場合（電子の流れがFMからAFへ）、抵抗が増加した。これは相境界が逆方向に移動したことを示し、電流の向きに依存した可逆的で方向制御可能な相境界移動が確認された。
• 抵抗変化はジュール熱効果ではなくスピン注入に起因するとされた。320 Kでの制御実験では、電流反転に対して抵抗応答が対称的であったが、ジュール熱効果ではこのような対称性が得られないため、その差が明確に分離された。
• 抵抗変化は相境界移動と定量的に関連づけられた。320 Kでの電流パルス中に3 mΩの抵抗上昇が観察され、これはジュール熱による1.4 Kの温度上昇に相当した。この値を基準として、スピン注入効果を分離して評価した。
• この系はメモリスチブ行動を示し、抵抗が電流の履歴に依存するため、非揮発性メモリや神経形態計算への応用が期待される。
• ドーピング勾配により、中間温度域で安定的かつ調整可能な相境界が実現され、広い温度範囲（370–475 K）で電気的に相転移をプローブおよび制御可能となった。