[논문 리뷰] A transmission electron microscope study of Néel skyrmion magnetic textures in multilayer thin film systems with large interfacial chiral interaction

S. McVitie, S. D. Hughes외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 15.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 강한 상호작용을 갖는 스퍼터링된 다층막 박막에서 네일 스카이머선의 직접 영상 촬영 및 정량 분석을 위해 로렌츠 투과형 전자현미경(TEM)을 사용한다. 그 결과, 입자 크기(~<10 nm)와 편향 자화 회전(~30 nm 너비)이 스카이머선의 안정성과 동역학을 결정짓는 핵심 나노스케일 매개변수임을 규명하였으며, 스핀트로닉스 장치 설계에 필수적인 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Skyrmions in ultrathin ferromagnetic metal (FM)/heavy metal (HM) multilayer systems produced by conventional sputtering methods have recently generated huge interest due to their applications in the field of spintronics. The sandwich structure with two correctly-chosen heavy metal layers provides an additive interfacial exchange interaction which promotes domain wall or skyrmion spin textures that are Néel in character and with a fixed chirality. Lorentz transmission electron microscopy (TEM) is a high resolution method ideally suited to quantitatively image such chiral magnetic configurations. When allied with physical and chemical TEM analysis of both planar and cross-sectional samples, key length scales such as grain size and the chiral variation of the magnetisation variation have been identified and measured. We present data showing the importance of the grain size (mostly &lt; 10nm) measured from direct imaging and its potential role in describing observed behaviour of isolated skyrmions (diameter &lt; 100nm). In the latter the region in which the magnetization rotates is measured to be around 30 nm. Such quantitative information on the multiscale magnetisation variations in the system is key to understanding and exploiting the behaviour of skyrmions for future device applications.

연구 동기 및 목표

• 스퍼터링된 다층막 박막에서 큰 표면 편향 상호작용을 갖는 네일 스카이머선의 나노스케일 구조적 및 자석적 기원을 이해하기 위해.
• 입자 크기와 표면 자화 이방성의 역할을 정량화하여 고립된 스카이머선의 안정화에 기여하는 요소를 규명하기 위해.
• 고해상도 TEM을 이용해 미세구조적 특징(예: 입자 크기, 층 연속성)과 관측된 자석 구조를 연관시키기 위해.
• 스카이머선의 자화 회전 영역의 공간적 범위를 측정하여 스카이머선 동역학의 정확한 모델링을 가능하게 하기 위해.
• 미래의 스카이머선 기반 스핀트로닉스 장치 개발을 위한 실험적으로 검증된 매개변수를 제공하기 위해.

제안 방법

• 10 nm 이하의 해상도로 편향 자석 구조를 직접 영상 촬영하기 위해 로렌츠 투과형 전자현미경(TEM)을 활용하였다.
• 평면 및 단면 TEM 시료 제작을 병행하여 표면 및 표면 간 미세구조를 분석하였다.
• 물리적 및 화학적 TEM 분석을 통해 스퍼터링된 다층막의 입자 크기, 층 두께 및 표면 품질을 측정하였다.
• 로렌츠 TEM 영상의 대trast를 분석하여 고립된 스카이머선 내 자화 회전의 공간적 변화를 매핑하였다.
• 입자 크기 <10 nm 등의 미세구조 매개변수를 관측된 스카이머선 직경(<100 nm) 및 편향 도메인 벽 너비와 연관지어 분석하였다.
• 정량적 영상 분석을 적용하여 네일 스카이머선에서 자화 회전 영역의 너비(~30 nm)를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스퍼터링된 다층막 박막에서의 입자 크기는 네일 스카이머선의 형성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고립된 네일 스카이머선에서 자화 회전의 공간적 범위는 무엇이며, 이는 그들의 위상적 보호와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 표면 편향 교환 상호작용과 필름의 미세구조가 함께 스카이머선의 편향성과 형태를 어떻게 결정하는가?
• RQ4 미세구조 결함과 입자 경계는 스카이머선의 핵형성과 이동성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 직접적인 TEM 영상 촬영을 통해 스카이머선의 나노스케일 자석 구조를 충분히 정밀하게 해석하여 장치 수준의 모델링에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• TEM를 직접적으로 사용하여 다층막의 입자 크기가 주로 10 nm 이하임을 확인하였으며, 이는 매우 나노결정립 미세구조를 의미한다.
• 고립된 네일 스카이머선에서 자화 회전 영역의 너비는 약 30 nm로 측정되었으며, 이는 위상적 안정성에 핵심적인 매개변수이다.
• 스카이머선 직경은 100 nm 이하로 관측되었으며, 이는 고립되고 잘 정의된 위상적 스핀 구조의 형성을 뒷받침한다.
• 로렌츠 TEM와 화학/구조 분석의 조합을 통해 미세구조와 자석 구조 간 직접적인 연관성을 확립하였다.
• 다층막 시스템에서 큰 표면 편향 상호작용이 네일형 스카이머선의 고정된 편향성을 유지시키는 데 기여함을 확인하였다.
• 이 연구는 입자 크기와 표면 이방성이 나노스케일에서 스카이머선 행동에 영향을 미치는 핵심적이고 정량화 가능한 매개변수임을 입증하였다.