[論文レビュー] Tuning perpendicular magnetic anisotropy in the MgO/CoFeB/Ta thin films

Tao Zhu, P. Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MgO/CoFeB/Ta薄膜における垂直磁気異方性（PMA）が、MgO層の厚さを変化させることで調整可能であることを示している。PMA強度は、MgOの結晶性バルク相の形成に伴い、MgO厚さが増加するに従って著しく低下する。これは、MgO/CoFeB界面における界面磁気異方性が変化することに起因し、界面制御による磁気的性質の工学的制御の道筋を示している。

ABSTRACT

Understanding the magnetic anisotropy at ferromagnetic metal/oxide interface is a fundamental and intriguing subject. Here we propose an approach to manipulate the strength of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) by varying MgO thickness in the MgO/CoFeB/Ta thin films. We identify that the PMA at the MgO/CoFeB interface is tuned by the crystalline structure of bulk MgO layer and decreases dramatically due to the onset of crystalline MgO forming with the increase of MgO thickness. Our work opens an avenue to manipulate the magnetic anisotropy by the modification of the ferromagnetic metal/oxide interface.

研究の動機と目的

• MgO/CoFeB/Taヘテロ構造におけるMgO厚さが垂直磁気異方性（PMA）に与える影響を調査すること。
• MgOの結晶構造が界面磁気異方性に与える影響を理解すること。
• 界面工学を用いてPMAを制御可能な方法を確立すること。
• MgO層の表面状態と磁気異方性強度の関係を調査すること。

提案手法

• MgO厚さを系統的に変化させたMgO/CoFeB/Ta三層薄膜の作製。
• 構造的一致性を確保するため、イン・スイット法と制御された成長条件の使用。
• 磁気測定およびX線磁気円二色性（XMCD）を用いて磁気異方性を評価。
• X線回折（XRD）を用いた結晶構造の分析により、相の変化とPMAの変化の相関を調査。
• PMAエネルギー密度をMgO厚さの関数として定量的に評価。
• 分光測定法を用いて界面電子構造および異方性寄与の調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MgO厚さを増加させると、MgO/CoFeB/Ta薄膜における垂直磁気異方性の強度にどのように影響するか？
• RQ2 バルクMgOの結晶構造が界面磁気異方性をどのように変化させるか？
• RQ3 制御されたヘテロ構造において、MgO層の厚さを制御することでPMAを体系的に調整可能か？
• RQ4 MgO厚さの増加に伴いPMAが減少する原因は何か？

主な発見

• MgO/CoFeB/Ta薄膜において、垂直磁気異方性（PMA）はMgO厚さが増加するに従い著しく低下する。
• PMAの低下は、厚さ増加に伴う結晶性MgOの形成に起因する。
• MgO/CoFeB界面における界面PMAは、MgO層内の構造的転移に強く影響を受ける。
• アモルファスMgO層は高いPMAを示すが、結晶性MgOではPMAが著しく抑制される。
• 本研究では、強磁性金属/酸化物界面の工学的制御により磁気異方性を調整可能であることを確認した。
• 結果から、MgO層の結晶性および厚さを制御することでPMAを制御する明確な道筋が示された。