[논문 리뷰] How to measure the local Dzyaloshinskii Moriya Interaction in Skyrmion Thin Film Multilayers

Mirko Baćani, Miguel A. Marioni외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 06.

Magnetic properties of thin films인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 자기력현미경(MFM)을 사용하여 스카이미언 형성 Ir/Co/Pt 다층구조에서 국소적인 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용을 측정하는 방법을 개발하였으며, Co 층 두께의 비균일성이 0.6 nm 구간에서 ±1.2 원자 단일층 수준일 경우 50 nm 폭의 영역에서 평균보다 75% 높은 DM 상호작용으로 인해 스카이미언이 고착됨을 밝혀내어, 박막에서 스카이미언의 이동성에 있어 나노스케일 층 평탄성이 핵심임을 시사한다.

ABSTRACT

The current driven motion of skyrmions in MnSi and FeGe thinned single crystals could be initiated at current densities of the order of $10^6$ A/m, five orders of magnitude smaller than for magnetic domain walls. The technologically crucial step of replicating these results in thin films has not been successful to date, but the reasons are not clear. Elucidating them requires analyzing system characteristics at scales of few nm where the key Dzyaloshinskii Moriya (DM) interactions vary, and doing so in near application conditions, i.e. oxidation protected systems at room temperature. In this work's magnetic force microscopy (MFM) studies of magnetron sputtered Ir/Co/Pt multilayers we show skyrmions that are smaller than previously observed, are not circularly symmetric, and are pinned to 50 nm wide areas of 75 percent higher than average DM interaction. This finding matches our measurement of Co layer thickness inhomogeneity of the order of $\\pm$1.2 atomic monolayers per 0.6 nm layer, and indicates that layer flatness must be controlled with greater precision to preclude skyrmion pinning.

연구 동기 및 목표

• 박막에서 스카이미언의 운동이 부스러운 이론적 예측에도 불구하고 부스러운 이유를 이해하기 위해.
• Ir/Co/Pt 다층구조에서 국소적 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용이 스카이미언을 고착시키는 역할을 규명하기 위해.
• 실용적 조건(산화 방지, 실온)에서 나노스케일에서의 DM 상호작용 공간적 변동성을 측정하기 위해.
• 관측된 스카이미언 고착 현상과 Co 층의 원자 스케일 두께 비균일성 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• MFM를 활용하여 스카이미언 시스템에서 국소적 DM 상호작용을 정량화하는 방법론을 수립하기 위해.

제안 방법

• 자기력현미경(MFM)을 사용하여 마그네트론 스퍼터링으로 제작한 Ir/Co/Pt 다층구조를 분석하여 스카이미언의 형태와 공간 분포를 이미징하기 위해.
• MFM 이미지를 분석하여 원형 대칭의 이탈을 탐지하고 국소적 고착 지점을 식별하기 위해.
• 스카이미언 고착 위치와 구조적 비균일성 간의 상관관계를 통해 국소적 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용 강도의 변동을 측정하기 위해.
• 횡단면 분석을 통해 Co 층 두께 비균일성을 정량화하여 0.6 nm 간격에서 ±1.2 원자 단일층의 비균일성을 발견하기 위해.
• MFM로 관측된 스카이미언 거동과 구조적 데이터를 비교하여 국소적 DM 상호작용 강도 향상을 추론하기 위해.
• 실용적 응용에 부합하기 위해 실온, 산화 방지 조건에서 샘플을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 현재의 전류 구동 스카이미언 운동이 부스러운 다층구조에서 부스러운가? (다만 부스러운 결정에서는 성공함)
• RQ2 나노스케일에서 필름 전반에 걸쳐 국소적 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용은 어떻게 변하는가?
• RQ3 Co 층의 원자 스케일 두께 비균일성이 스카이미언 고착에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 자기력현미경(MFM)은 스카이미언 시스템에서 국소적 DM 상호작용 강도를 신뢰성 있게 맵핑할 수 있는가?
• RQ5 스카이미언의 이동성을 확보하기 위해 필요한 층 평탄도 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• Ir/Co/Pt 다층구조에서 스카이미언은 이전에 관측된 것보다 작고 비원형 대칭을 나타낸다.
• 스카이미언은 평균보다 75% 높은 국소적 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용을 가지며 50 nm 폭의 영역에 강하게 고착되어 있다.
• 관측된 고착 현상은 0.6 nm 간격에서 ±1.2 원자 단일층의 Co 층 두께 비균일성과 상관관계가 있다.
• 이 연구는 국소적 DM 상호작용 비균일성이 박막에서 스카이미언 이동성 저하의 핵심 요인임을 규명하였다.
• 결과적으로 향후 장치에서 스카이미언 고착을 방지하기 위해 원자 스케일의 층 평탄도 향상이 필수적임을 시사한다.
• 자기력현미경(MFM)은 실온 조건에서 실용적 환경에서 스카이미언 시스템의 국소적 DM 상호작용 측정에 실현 가능한 도구로 검증되었다.