[논문 리뷰] Impact of in-plane currents on magnetoresistance properties of an exchange-biased spin-valve with insulating antiferromagnetic layer

D. N. H. Nam, Nguyen Chi Thuan외 5명|ArXiv.org|2008. 01. 09.

Magnetic properties of thin films인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 절연성 Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O 반자성층을 가진 교환비틀림 스핀밸브에서 평면내 교류가 자화저항에 미치는 영향을 조사한다. 절연성 반자성체는 스핀 분류 전류 주입을 방지하지만, 평면내 전류로 인한 저울 열이 고정층의 반전을 억제하고 자화저항을 감소시킨다. 이와 동시에 고전류 조건에서는 고정층 간 스핀-전달 토크가 여전히 기여할 수 있다.

ABSTRACT

The impact of in-plane alternating currents on the exchange bias, resistance, and magnetoresistance of a CoFe/NiCoO/CoFe/Cu/CoFe spin-valve is studied. With increasing current, the resistance is increased while the maximum magnetoresistance ratio decreases. Noticeably, the reversal of the pinned layer is systematically suppressed in both field sweeping directions. Since the NiCoO oxide is a good insulator, it is expected that the ac current flows only in the CoFe/Cu/CoFe top layers, thus ruling out any presence of spin-transfer torque acting on the spins in the antiferromagnetic layer. Instead, our measurements show clear evidences for the influence of Joule heating caused by the current. Moreover, results from temperature-dependent measurements very much resemble those of the current dependence, indicating that the effect of Joule heating plays a major role in the current-in-plane spin-valve configurations. The results also suggest that spin-transfer torques between ferromagnetic layers might still exist and compete with the exchange bias at sufficiently high currents.

연구 동기 및 목표

• 평면내 교류가 교환비틀림, 저항 및 스핀밸브의 자화저항에 미치는 영향을 절연성 반자성층이 있는 스핀밸브에서 조사한다.
• 반자성체를 통한 직접 전류 흐름이 없는 상황에서도 전류-평면(CIP) 구형에서 스핀-전달 토크 효과가 발생할 수 있는지 확인한다.
• 관측된 자전도 변화에 기여하는 열적(저울 열)과 비열적(스핀-전달 토크) 기여를 구분한다.
• 온도 변화에 따른 행동과 전류 유도 효과를 비교하여 가열의 역할을 분리한다.
• 고전류 조건에서 CIP 기하학에서 고정층 간 스핀-전달 토크가 얼마나 지속되는지 평가한다.

제안 방법

• 기본 진공 압력 8×10⁻⁶ mbar 조건에서 마그네트론 스퍼터링을 이용해 Co₈₅Fe₁₅/Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O/Co₈₅Fe₁₅/Cu/Co₈₅Fe₁₅ 스핀밸브 구조를 제작하였다.
• 반자성층으로 고저항성 Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O 층(추정치 >100 MΩ)을 사용하여 반자성체로의 전류 흐름을 차단하고, 저울 열을 주요 열 기구로 고립시켰다.
• 다양한 전류 크기와 지속 시간을 적용하여 전류-평면(CIP) 자전도 측정을 수행하여 저항(R(H)) 및 자화저항(MR(H)) 행동을 연구하였다.
• 300 K에서 400 K까지의 온도 의존 측정을 수행하여 전류 유도 효과와 열 효과를 비교하였다.
• 전류를 인가한 상태와 냉각 사이클 동안 시간에 따른 저항 데이터를 분석하여 열 회복 동역학을 검증하였다.
• R(H) 곡선에서 교환비틀림 필드(Hₑb)를 추출하고, 전류, 온도 및 전류 지속 시간에 따른 의존성을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면내 전류로 인한 저울 열이 절연성 반자성층이 있는 스핀밸브에서 교환비틀림과 자화저항에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ2 반자성체를 통한 전류 흐름이 없는 상황에서도 전류-평면(CIP) 구형에서 고정층 간 스핀-전달 토크가 발생할 수 있는가?
• RQ3 저항 및 Hₑb에 대한 전류 유도 변화가 순수한 온도 변화에 의한 열 효과와 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ4 저항 값이 일치할 때에도 전류에 의한 교환비틀림의 억제가 온도만으로 기대되는 것보다 더 크며, 그 이유는 무엇인가?
• RQ5 교환비틀림 고정층 반전 억제에 열 효과와 스핀-전달 토크 중 어느 것이 상대적으로 더 기여하는가?

주요 결과

• 평면내 전류 크기를 증가시킬수록 저항은 단조적으로 증가하고 최대 자화저항 비율은 감소한다.
• 낮은 전류 수준에서도 교환비틀림이 현저히 변화하지 않은 상태에서 고정층의 반전이 체계적으로 억제된다.
• 온도 의존 측정 결과는 전류 의존 측정 결과와 정량적으로 유사한 경향을 보이며, 저울 열이 지배적인 메커니즘임을 시사한다.
• 저항 값이 일치할 경우, 전류 조건에서는 Hₑb ≈ 110 Oe(70 mA, 300 K)로, 순수한 열 효과 조건에서는 Hₑb ≈ 165 Oe(0.05 mA, 320 K)로 더 강하게 억제되며, 이는 추가적인 비열적 효과가 존재함을 나타낸다.
• 70 mA, 300 K에서의 저항 값은 0.05 mA, 340 K에서의 값보다 낮으며, 이는 전류가 온도만으로 인한 영향보다 저항 감소에 더 강한 영향을 미친다는 것을 의미하며, CIP 기하학에서 스핀-전달 토크 기여가 존재함을 시사한다.