[논문 리뷰] Coexistence of non-trivial van der Waals magnetic orders enable field-free spin-orbit torque switching at room temperature

Bing Zhao, Lakhan Bainsla외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 25.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 베타-바나듐 화합물(van der Waals, vdW) 자기 이종구조체인 (Co0.5Fe0.5)5-xGeTe2 (CFGT) 와 Pt 사이에서 필드 없는 결정성 스핀오르빗 토크(SOT) 스위칭을 입증한다. CFGT 내부의 고유한 강자성 및 반자성 순서가 동시에 존재함으로써 교환 편향과 기울어진 수직 자화를 유도하며, 이는 임계 전류 밀도 8×10⁻² A/μm² 와 약 8.0 mT/MA/cm² 의 큰 효과적 자기장으로 효율적인 SOT 스위칭을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The discovery of van der Waals (vdW) magnetic materials exhibiting non-trivial and tunable magnetic interactions can give rise to exotic magnetic states, which are not readily attainable with conventional materials. Such vdW magnets can provide a unique platform for studying new magnetic phenomena and realizing magnetization dynamics for energy-efficient and non-volatile spintronic memory and computing technologies. Here, we discover the coexistence of ferromagnetic and antiferromagnetic orders in vdW magnet (Co0.5Fe0.5)5-xGeTe2 (CFGT) CFGT above room temperature, inducing an intrinsic exchange bias and canted perpendicular magnetism. Such non-trivial intrinsic magnetic order enables us to realize energy-efficient, magnetic field-free, and deterministic spin-orbit torque (SOT) switching of CFGT in heterostructure with Pt. The devices show a very large spin Hall conductivity, a low critical current density, and yield a large SOT effective field. These experiments, together with density functional theory and Monte Carlo simulations establish coexisting non-trivial magnetic orders in CFGT that enable field-free SOT magnetization dynamics in spintronic devices.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 에너지 효율적이고, 필드가 없으며, 결정성인 스핀오르빗 토크(SOT) 스위칭을 스핀트로닉스 장치에서 달성하기 위해.
• 특히 공존하는 강자성(FM) 및 반자성(AFM) 상태의 비정상적인 자성 순서가 필드 없는 SOT 스위칭을 가능하게 하는 역할을 탐색하기 위해.
• 고유한 교환 편향과 기울어진 자화가 단일 vdW 재료 내에서 기존의 FM/AFM 이종구조체를 대체할 수 있음을 입증하기 위해.
• 2차원 반데르발스 자성체를 활용하여 확장 가능하고, 비권한성이며, 저전력인 스핀트로닉스 메모리 및 계산 기술 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 스핀오르빗 토크(SOT) 측정을 위해 에폭시 분리된 (Co0.5Fe0.5)5-xGeTe2(CFGT) 플레이크를 사용하여 Pt/CrFt 이종구조체를 제작하였다.
• SOT에 의해 유도된 자화 스위칭을 탐지하기 위해 스핀 홀 마그네틱 저항도(SMR) 및 고조파 홀 전압 측정을 수행하였다.
• CFGT 내 원자 구조 및 철 결함 구조를 확인하기 위해 고해상도 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM)과 HAADF, EDXS를 수행하였다.
• 온도 의존 자화를 측정하고 실온 이상의 자성 순서를 확인하기 위해 SQUID 자화 측정을 실시하였다.
• FM 및 AFM 순서의 공존과 그 자성 이방성 및 교환 편향에 미치는 영향을 모델링하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산 및 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 정밀한 SOT 효과 탐지의 위해 잠금-입자 증폭 기법을 사용하여 동 phase 및 비동 phase 고조파 전압을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 2차원 반데르발스 자성체 내에서 공존하는 강자성 및 반자성 순서가 실온에서 필드 없는 SOT 스위칭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 고유한 교환 편향과 기울어진 자화가 vdW 이종구조체에서 결정성이고 저전류 SOT 스위칭을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 CFGT 내 자성 이방성과 스핀오르빗 결합이 관측된 큰 효과적 SOT 자기장과 낮은 임계 전류 밀도에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 DFT 및 몬테카를로 시뮬레이션은 CFGT 내 비정상적인 자성 순서의 실험적 관측 결과를 어느 정도 재현하는가?
• RQ5 Pt/CFGT 이종구조체에서 관측된 스핀 홀 도전도 및 SOT 효율성은 반데르발스 자성체의 고유한 자성 특성에 기인하는가?

주요 결과

• CFGT 내 강자성 및 반자성 순서의 공존은 300 K에서 HEB = +75 mT 의 뚜렷한 교환 편향 효과를 유도한다.
• 시스템은 실온 이상에서도 지속적인 네트워크 자화를 유지하는 기울어진 수직 자화를 나타낸다.
• 임계 전류 밀도 8×10⁻² A/μm² 로 필드 없는 SOT 스위칭을 달성하였으며, 이는 기존의 SOT 장치보다 현저히 낮다.
• Pt 층에서 3×10⁵ ħ/2e Ω⁻¹m⁻¹ 의 큰 스핀 홀 도전도가 측정되어 강한 스핀오르빗 결합을 나타낸다.
• SOT 효과적 자기장은 약 8.0 mT/MA/cm² 에 도달하여 자화 스위칭의 높은 효율성을 입증한다.
• DFT 및 몬테카를로 시뮬레이션은 FM 및 AFM 순서의 공존 안정성을 확인하고, CFGT 내 교환 편향과 기울어진 자화의 기원을 설명한다.