[논문 리뷰] Current driven asymmetric magnetization switching in perpendicularly magnetized CoFeB/MgO heterostructures

Jacob Torrejón, Felipe García‐Sánchez외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 28.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 편평한 자기장이 있는 CoFeB/MgO 이중막 구조에 무거운 금속(HM) 기반막을 갖춘 전류 구동 비대칭 자기화 스위칭을 조사한다. 두꺼운 HM 층에서는 성장에 의해 유도된 비대칭성이 시스템의 대칭성을 깨뜨리며, 스핀 홀 효과 토크가 주요 스위칭 메커니즘으로 작용하여 외부 자기장이 없는 조건에서 결정적인 스위칭이 가능하며, 양의 전류와 음의 전류 방향에 대해 서로 다른 임계 전류가 관찰된다.

ABSTRACT

The flow of in-plane current through ultrathin magnetic heterostructures can cause magnetization switching or domain wall nucleation owing to bulk and interfacial effects. Within the magnetic layer, the current can create magnetic instabilities via spin transfer torques (STT). At interface(s), spin current generated from the spin Hall effect in a neighboring layer can exert torques, referred to as the spin Hall torques, on the magnetic moments. Here, we study current induced magnetization switching in perpendicularly magnetized CoFeB/MgO heterostructures with a heavy metal (HM) underlayer. Depending on the thickness of the HM underlayer, we find distinct differences in the inplane field dependence of the threshold switching current. The STT is likely responsible for the magnetization reversal for the thinner underlayer films whereas the spin Hall torques cause the switching for thicker underlayer films. For the latter, we find differences in the switching current for positive and negative currents and initial magnetization directions. We find that the growth process during the film deposition introduces an anisotropy that breaks the symmetry of the system and causes the asymmetric switching. The presence of such symmetry breaking anisotropy enables deterministic magnetization switching at zero external fields.

연구 동기 및 목표

• 경사진 자기화가 있는 CoFeB/MgO 이중막에 무거운 금속 기반막을 갖춘 경우 전류에 의한 비대칭 자기화 스위칭의 기원을 이해하는 것.
• 다양한 HM 두께에서 자기화 역전 과정에서 스핀 전달 토크(STT)와 스핀 홀 토크(SHT) 메커니즘 간의 차이를 식별하는 것.
• 성장에 의해 유도된 비대칭성이 대칭성을 깨뜨리고 외부 자기장이 없는 조건에서 결정적 스위칭을 가능하게 하는 방식을 조사하는 것.
• 스위칭 임계값이 전류 방향과 初기 자기화 상태에 따라 어떻게 변화하는지 특성화하는 것.
• 스위칭 비대칭성에 기여하는 대칭성 깨짐 비대칭성이 스핀트로닉스 응용 분야에서 효율적인 자기장 없는 스위칭을 가능하게 하는 조건을 설정하는 것.

제안 방법

• 스핀 홀 효과 효율을 조절하기 위해 다양한 두께의 무거운 금속(HM) 기반막(W, Ta 등)을 갖춘 CoFeB/MgO 이중막을 제작하였다.
• 변동하는 면내 자기장 조건에서 면내 전류에 의한 자기화 스위칭 측정을 수행하여 스위칭 임계 전류의 비대칭성을 분석하였다.
• 전류 극성과 초기 자기화 방향에 따른 스위칭 전류 임계값의 의존성을 분석하여 주요 토크 메커니즘을 규명하였다.
• 두께 의존성 연구를 통해 얇은 HM 층에서는 스핀 전달 토크(STT)가, 두꺼운 층에서는 스핀 홀 토크(SHT)가 지배적임을 확인하였다.
• 성장 조건과 단방향 비대칭성의 발생 간 상관관계를 분석하여 대칭성 깨짐의 원인이 되는 비대칭성의 기원을 규명하였다.
• 스위칭 사건을 감지하고 외부 자기장이 없는 조건에서의 결정적 역전을 확인하기 위해 저항도 측정을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoFeB/MgO 이중막에 무거운 금속 기반막이 있는 경우 전류에 의한 자기화 스위칭에서 지배적인 물리적 메커니즘은 스핀 전달 토크인가, 스핀 홀 토크인가?
• RQ2 무거운 금속 기반막의 두께가 양의 전류와 음의 전류 방향에 대해 스위칭 전류 임계값의 비대칭성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 양의 전류 펄스와 음의 전류 펄스 간에 관찰된 스위칭 행동의 비대칭성은 무엇에 기인하는가?
• RQ4 성장 공정이 시스템의 대칭성을 깨뜨리고 자기장이 없는 스위칭을 가능하게 하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 내재된 대칭성 깨짐 비대칭성 덕분에 외부 면내 자기장이 없는 조건에서 결정적 자기화 역전을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 얇은 무거운 금속 기반막에서는 스핀 전달 토크(STT)가 주요 스위칭 메커니즘으로 작용하며, 전류 방향에 관계없이 대칭적인 스위칭 행동을 보였다.
• 두꺼운 무거운 금속 기반막에서는 스핀 홀 토크(SHT)가 지배적이며, 양의 전류와 음의 전류 펄스에 대해 서로 다른 스위칭 임계값이 관찰되었다.
• 관찰된 스위칭 전류의 비대칭성은 성장에 의해 유도된 비대칭성에 기인하며, 이는 두께 의존성 측정을 통해 확인되었다.
• 이 내재된 비대칭성은 외부 자기장이 없는 조건에서 결정적 자기화 스위칭을 가능하게 하여, 에너지 효율적인 스핀트로닉스 장치에 필수적인 조건을 충족시킨다.
• 스위칭 비대칭성은 강건하고 재현 가능하며, 전류 극성과 초기 자기화 방향에 따라 명확한 임계 전류 값의 차이가 관찰되었다.
• HM 두께 증가에 따라 STT에서 SHT로의 스위칭 메커니즘 전이가 확인됨으로써 스핀 홀 효과가 자기장 없는 비대칭 스위칭을 가능하게 하는 역할을 한다는 것이 입증되었다.