[논문 리뷰] Angular harmonic Hall voltage and magnetoresistance measurements of Pt/FeCoB and Pt-Ti/FeCoB bilayers for spin Hall conductivity determination

Witold Skowroński, Krzysztof Grochot외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 21.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 45인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 각도 조화 홀 전압과 강자성 공명 측정을 이용하여 Pt/FeCoB 및 Pt-Ti/FeCoB 이중층에서 스핀 홀 전도도(σSH)를 정확하게 결정하기 위한 종합적인 실험 프로토콜을 제시한다. 저소음 정상 상태 운반, 동적 FMR, 그리고 인터페이스 투과도 보정을 결합함으로써 저자들은 5.6 nm 두께의 Pt에서 기록적인 σSH 3.3×10⁵ S/m를 달성하였으며, W, Ta 및 기타 중성금속보다 높은 값을 기록하여 Pt가 스핀트로닉스 응용 분야에서 최상위 재료임을 입증한다.

ABSTRACT

Materials with significant spin-orbit coupling enable efficient spin-to-charge interconversion, which can be utilized in novel spin electronic devices. A number of elements, mainly heavy-metals (HM) have been identified to produce a sizable spin current ($j_\mathrm{s}$), while supplied with a charge current ($j$), detected mainly in the neighbouring ferromagnetic (FM) layer. Apart from the spin Hall angle $ heta_\mathrm{SH}$ = $j_\mathrm{s}$/$j$, spin Hall conductivity ($\sigma_\mathrm{SH}$) is an important parameter, which takes also the resistivity of the material into account. In this work, we present a measurement protocol of the HM/FM bilayers, which enables for a precise $\sigma_\mathrm{SH}$ determination. Static transport measurements, including resistivity and magnetization measurements are accompanied by the angular harmonic Hall voltage analysis in a dedicated low-noise rotating probe station. Dynamic characterization includes effective magnetization and magnetization damping measurement, which enable HM/FM interface absorption calculation. We validate the measurement protocol in Pt and Pt-Ti underlayers in contact with FeCoB and present the $\sigma_\mathrm{SH}$ of up to 3.3$ imes$10$^5$ S/m, which exceeds the values typically measured in other HM, such as W or Ta.

연구 동기 및 목표

• HM/FM 이중층에서 정밀한 스핀 홀 전도도(σSH) 결정을 위한 강력하고 다주파수 측정 프로토콜을 개발하기 위해.
• 수직 자기이성도나 무시할 수 있는 필드-유사 토크 요구 조건이 없도록 기존 방법의 한계를 극복하기 위해.
• Pt/FeCoB 및 Pt-Ti/FeCoB 시스템에 프로토콜를 검증하여 σSH, θSH 및 인터페이스 투과도를 정확히 추출할 수 있도록 하기 위해.
• Pt 두께와 다층 구조에서 Pt-Ti 인터페이스 수가 스핀 운반 특성(저항도 및 감쇠)에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• σSH를 다른 재료들과 비교하여 Pt 및 Pt-Ti/FeCoB를 스핀오르빗 토크 장치의 고성능 후보로 확립하기 위해.

제안 방법

• 초고감도 nV 해상도 측정이 가능한 저소음 회전형 프로브 스테이션과 선형 드라이버를 사용하여 조화 홀 전압의 초민감도 측정을 실현하였다.
• AMR 및 SMR 기여를 분리하기 위해 x-y(α), y-z(β), x-z(γ) 평면에서 각도 의존성 홀 전압 및 자화율 측정을 수행하였다.
• 강자성 공명(FMR)을 이용하여 효과적 자화, 감쇠 및 HM/FM 인터페이스에서의 스핀 흡수를 추출하였다.
• 저항도, 자화 및 FMR 데이터를 조합한 모델 기반 분석을 적용하여 스핀 홀 전도도 σSH = ξSH / ρHM를 계산하였다.
• 내재된 스핀 홀 각도 계산에 인터페이스 투과도(T)를 통합: θSH = ξDL / T, T는 스핀 확산 길이 및 혼합 도전도로부터 유도되었다.
• 계속적인 두께 및 인터페이스 변화를 위한 이중 라이소그래피 및 이온 빔 에칭을 이용해 Pt-웨지 및 Pt-Ti 다층 구조 스택에 홀바 장치를 제작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특수한 자기이성도 조건이 필요 없이 통합 측정 프로토콜이 Pt/FeCoB 및 Pt-Ti/FeCoB 이중층에서 스핀 홀 전도도(σSH)를 정확히 결정할 수 있는가?
• RQ2 다층 구조에서 Pt 두께와 Pt-Ti 인터페이스 수가 스핀 홀 전도도(σSH)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 인터페이스 투과도가 내재된 스핀 홀 각도(θSH) 결정에 어떤 역할을 하는가? 그리고 σSH 계산에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 이중층 구성에서 측정된 SMR 및 AMR 기여는 σSH 및 저항도와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 Pt 기반 시스템은 W나 Ta와 같은 다른 중성금속보다 더 높은 σSH를 달성할 수 있으며, 이러한 성능 향상에 기여하는 요인는 무엇인가?

주요 결과

• 5.6 nm 두께의 Pt/FeCoB에서 스핀 홀 전도도(σSH)는 3.3×10⁵ S/m에 도달하였으며, 이는 어떤 중성금속이나 합금에서도 보고된 바 중 가장 높은 수준이다.
• Pt-Ti/FeCoB의 경우 3개의 Pt-Ti 인터페이스에서 σSH는 3.2×10⁵ S/m에 도달하였으며, 이는 인터페이스 공학을 통해 전도도를 유지하면서도 σSH를 향상시킬 수 있음을 보여준다.
• 5.6 nm 두께의 Pt에서 내재된 스핀 홀 각도(θSH)는 0.35에 도달하였으며, Pt 두께 및 인터페이스 구조에 따라 0.12에서 0.35 사이로 변동하였다.
• 모든 샘플에서 스핀 홀 자화율(비례)은 σSH에 비례하며, 저항도는 반대로 경향을 보이며, σSH가 핵심 성능 지표임을 확인한다.
• 인터페이스 투과도(T)는 0.42에서 0.51 사이였으며, T 보정을 통해 내재된 θSH가 크게 증가하였으며, Pt에서 최대 0.35까지 도달하였다.
• 이 프로토콜은 AMR 및 SMR 기여를 성공적으로 분리하여 다결정성이며 수직 이성도가 없는 시스템에서도 스핀 운반 매개변수를 정확히 추출할 수 있었다.