[논문 리뷰] External-Field-Free Spin Hall Switching of Perpendicular Magnetic Nanopillar with a Dipole-Coupled Composite Structure

Zhengyang Zhao, Angeline Klemm Smith외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 08.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 25인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 수직 자기이방성 나노피라를 외부 자기장 없이 스핀 홀 스위칭할 수 있도록 하는 도플레-결합 복합 구조를 제안한다. 이는 국소적인 평면 자기층을 활용해 상쇄되는 도플레장(의)을 생성함으로써 가능해진다. 이 방법은 약 135 Oe의 큰 평면 보상 자기장과 10⁷ A cm⁻²당 약 45 Oe의 축외 방향 루프 이동을 달성하여 강건한 외부 자기장이 없는 스위칭을 실현하였으며, 직사각형 및 10×10 nm² 원형 피라에서 실험과 마이크로자성 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Spin Hall effect (SHE) induced reversal of perpendicular magnetization has attracted significant interest, due to its potential to lead to low power memory and logic devices. However, the switching requires an assisted in-plane magnetic field, which hampers its practical applications. Here, we introduce a novel approach for external-field-free spin Hall switching of a perpendicular nanomagnet by utilizing a local dipolar field arising from an adjacent in-plane magnetic layer. Robust switching of perpendicular CoFeB nanopillars in a dipole-coupled composite stack is experimentally demonstrated in the absence of any external magnetic field, in consistent with the results of micromagnetic simulation. Large in-plane compensation field of about 135 Oe and out-of-plane loop shift of about 45 Oe / 10 7 A cm-2 are obtained in the nanopillar devices with composite structure. By performing micromagnetic simulations, we confirm the composite external-field-free switching strategy can also work for a 10 x 10 nm2 circular pillar. Compared with other proposed methods for external-field-free spin Hall switching of perpendicular magnetization, the dipole-coupled composite structure is compatible with a wide range of spin Hall systems and perpendicular magnetic tunnel junctions, paving the way towards practical SHE-based MRAM and logic applications.

연구 동기 및 목표

• 스핀 홀 효과(SHE)에 의한 수직 자기이방성 나노구조에서 외부 평면 자기장이 필요로 하는 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 스핀 홀 및 자기터널접합 기술과 호환되는 실용적인 자기장 없는 스위칭 메커니즘을 개발하기 위해.
• 어떤 외부 자기장도 적용하지 않고도 수직 CoFeB 나노피라에서 강건하고 재현 가능한 스위칭을 구현하기 위해.
• 다양한 기하구조에서 실험 측정과 마이크로자성 시뮬레이션을 통해 이 접근법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 수직 CoFeB 자기 나노피라를 평면 자기층과 인접 배치하여 도플레-결합 복합 구조를 형성하기 위해.
• 평면 자기층이 생성하는 도플레장을 활용해 순수 자기이방성장의 영향을 상쇄함으로써 자기장 없는 스위칭을 가능하게 하기 위해.
• 중금속층(예: W 또는 Pt)을 통해 스핀 홀 전류를 공급하여 수직 자기층에서 스핀오르빗 토크를 유도하기 위해.
• 다양한 전류 밀도에서 자기 히스테리시스 루프를 측정하여 스위칭 거동과 루프 이동을 정량화하기 위해.
• 직사각형 및 원형 피라 기하구조에서의 스위칭 역학을 모델링하고 확인하기 위해 마이크로자성 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 10×10 nm² 원형 피라 모델을 사용하여 자기장 없는 스위칭 메커니즘의 확장성과 강건성을 입증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도플레-결합 복합 구조를 사용하여 수직 자기이방성 나노피라에서 외부 자기장 없는 스핀 홀 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 평면 보상 자기장과 축외 루프 이동의 크기는 얼마인가?
• RQ3 도플레-결합 구조는 어떤 외부 자기장 없이도 강건한 스위칭을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 제안된 메커니즘은 10×10 nm² 피라와 같은 더 작은 장치 치수로도 확장 가능한가?
• RQ5 마이크로자성 시뮬레이션은 실험적 스위칭 거동을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 도플레-결합 복합 구조를 활용하여 수직 CoFeB 나노피라에서 강건한 외부 자기장 없는 스위칭이 실험적으로 입증되었다.
• 약 135 Oe의 큰 평면 보상 자기장을 달성하여 순수 자기이방성장을 효과적으로 상쇄시켰다.
• 10⁷ A cm⁻²당 약 45 Oe의 축외 루프 이동이 측정되어 강력한 스핀 홀 토크 효율성을 나타내었다.
• 마이크로자성 시뮬레이션을 통해 10×10 nm² 원형 자기피라에 대해 이 방법의 타당성이 확인되었으며, 확장 가능성까지 입증되었다.
• 복합 구조는 다양한 스핀 홀 재료와 수직 자기터널접합과 호환되어 실용적 통합 가능성까지 향상되었다.
• 실험 데이터와 시뮬레이션 간 일관된 일치를 보여 제안된 스위칭 메커니즘이 검증되었다.