[논문 리뷰] Direct observation of magnetic droplet solitons in all-perpendicular spin torque nano-oscillators

Sunjae Chung, Q. Tuan Le외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 05.

Magnetic properties of thin films인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 약간의 수직 자기장 하에서 전면 수직 스핀 토크 나노진동자(All-perpendicular STNOs)에서 자기 드롭렛 솔리톤의 직접 전기적 및 자기적 영상 관측을 처음으로 보고한다. 스캐닝 트랜스미션 X선 현미경(STXM)을 사용하여, 80 nm 나노접촉 아래에 150 nm 지름, 70 nm 둘레 너비를 가지며 완전히 반전된 핵을 가진 드롭렛을 직접 시각화함으로써, 수직 자기장 구성이나 강한 외부 자기장이 필요 없이 안정적인 드롭렛 형성이 가능하다고 확인하였다.

ABSTRACT

Magnetic droplets are non-topological dynamical solitons that can be nucleated and sustained in nano-contact based spin torque nano-oscillators (NC-STNOs) with perpendicular anisotropy free layers. While originally predicted in all-perpendicular NC-STNOs, all experimental demonstrations have so far relied on orthogonal devices with an in-plane polarizing layer that requires a strong magnetic field for droplet nucleation. Here, we instead show the nucleation and sustained operation of magnetic droplets in all-perpendicular NC-STNOs in modest perpendicular fields and over a wide range of nano-contact size. The droplet is observed electrically as an intermediate resistance state accompanied by broadband low-frequency microwave noise. Using canted fields, which introduce a non-zero relative angle between the free and fixed layer, the actual droplet precession frequency can also be determined. Finally, the droplet size, its perimeter width, and its fully reversed core are directly observed underneath a 80 nm diameter nano-contact using scanning transmission x-ray microscopy on both the Ni and Co edges. The droplet diameter is 150 nm, i.e. almost twice the nominal size of the nano-contact, and the droplet has a perimeter width of about 70 nm.

연구 동기 및 목표

• 전면 수직 NC-STNO에서 수직 자기장 구성이 필요 없이 자기 드롭렛 솔리톤의 핵형성 및 지속 작동을 입증하기 위해.
• 이전 실험 연구에서 드롭렛 형성에 있어 평행 평면 극성층과 강한 자기장에 의존한 한계를 극복하기 위해.
• 스캐닝 트랜스미션 X선 현미경(STXM)을 사용하여 니켈 및 cobalt L3 에지에서의 원소 특이적 XMCD 대비를 통해 자기 드롭렛의 공간적 구조를 직접 영상화하기 위해.
• 통제된 자기장 환경에서 드롭렛 솔리톤 형성과 관련된 전기적 서명—중간 저항 및 광역대 밴드워드 마이크로파 노이즈—를 상관관계 분석하기 위해.
• 기울인 자기장 조건을 이용하여 실제 드롭렛 진동수를 추출하고, 솔리톤 상태의 동적 거동을 검증하기 위해.

제안 방법

• Ta/Cu/Ta/Pd 시드 층과 [Co/Pd]×5/Co/Cu/[Co/Ni]×4/Co 다층 구조를 포함한 전체 스택을 갖는 전면 수직 NC-STNO를 SiO2/Si 기판에 마그네트론 스퍼터링을 사용해 제작하였다.
• 광리트로그래피 및 SiO2 열산화를 통해 메사 형성 후, 전자선 리트로그래피를 이용해 원형 나노접촉(50–150 nm 지름)을 패턴화하고, 반응성 이온 에칭을 통해 접촉을 개방하였다.
• 직류 전원 공급원, 나노볼트미터, 스펙트럼 분석기 및 바이어스-티를 사용한 고유의 설정을 통해 전기적 특성 측정을 수행하였다. 이는 직류 및 마이크로파 신호를 분리하기 위함이었다.
• BESSY II 입자 가속기 시설에서 원형 편광 X선을 사용하여 Ni 및 Co L3 흡수 에지에서 원소 특이적 XMCD 대비를 확보한 STXM 측정을 수행하였다.
• 아벌랜치 포토다이오드 및 FPGA 기반 처리를 사용한 락인 유사 데이터 수집 방식을 적용하여 STXM 영상에서 초저노이즈를 달성하였다.
• 자유층과 고정층 자기화 벡터 간의 각도가 0이 아닌 기울인 자기장을 적용하여 측정된 마이크로파 방출에서 실제 드롭렛 진동수를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전면 수직 NC-STNO에서 수직 자기장 구성이 필요 없이 자기 드롭렛 솔리톤이 안정적으로 핵형성되고 지속 가능한가?
• RQ2 STXM으로 직접 영상화된 드롭렛의 공간적 범위와 내부 구조, 즉 지름, 둘레 너비, 핵 반전 정도는 어떠한가?
• RQ3 드롭렛의 진동수는 적용된 자기장과 자기장 각도와 어떻게 관련되어 있으며, 실험적으로 해석 가능한가?
• RQ4 전면 수직 STNO에서 드롭렛 상태와 관련된 전기적 서명(저항 상태, 마이크로파 노이즈)은 무엇인가?
• RQ5 Ni 및 Co L3 에지에서의 원소 특이적 XMCD 영상으로 드롭렛의 자기 구조를 정량적으로 특성화할 수 있는가?

주요 결과

• 약간의 수직 자기장(최대 240 mT) 하에서 전면 수직 NC-STNO에서 자기 드롭렛 솔리톤이 직접 관측되었으며, 강한 자기장이나 수직 자기장 구성층이 필요 없었다.
• 드롭렛 지름은 150 nm로 측정되었으며, 이는 명시된 80 nm 나노접촉 크기의 약 두 배에 해당하여 자기 진동의 상당한 공간적 확장이 있음을 시사한다.
• 드롭렛 둘레 너비는 약 70 nm로 확인되었으며, 이는 반전된 핵 주위에서 공명적인 스핀 진동이 일어나는 영역을 의미한다.
• 드롭렛 핵은 완전히 반전되어 있으며, 자기화 각도가 160°를 초과하여 나노접촉 아래 중심 영역의 완전한 반전을 확인하였다.
• 전기적 측정에서 중간 저항 상태와 광역대 저주파 마이크로파 노이즈가 관측되어 드롭렛 동역학의 특징적인 서명임을 확인하였다.
• 기울인 자기장을 적용하여 실제 드롭렛 진동수를 추정함으로써, 솔리톤 상태의 동적 거동을 직접 검증할 수 있었다.