[논문 리뷰] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in Pt/CoFeB films: effect of the heavy-metal thickness

S. Tacchi, Roberto E. Troncoso외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 10.

Magnetic properties of thin films인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 브릴루아인 빛 산란(BLS) 분광법을 사용하여 Pt/CoFeB 초박막 필름에서 두께에 따라 변하는 상호면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 조사한다. DMI 강도가 Pt 두께에 따라 증가하여 2 nm 이상일 경우 약 0.45 mJ/m²에서 포화됨을 보여주며, 이는 스핀-오비트 결합에 의해 매개되는 중금속 내 전자 이동에 기인한다. 이러한 결과는 3점 간접 교환 모델을 통해 설명되며, 중금속층의 공학적 조절을 통해 나선형 스핀 구조를 제어할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We report the observation of a Pt layer thickness dependence on the induced interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in ultra-thin Pt($d_{ ext{Pt}}$)/CoFeB films. Taking advantage of the large spin-orbit coupling of the heavy metal, the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction is quantified by Brillouin light scattering measurements of the frequency non-reciprocity of spin-waves in the ferromagnet. The magnitude of the induced Dzyaloshinskii-Moriya coupling is found to saturate to a value $0.45$ mJ$/$m${}^2$ for Pt thicknesses larger than $\sim 2$ nm. The experimental results are explained by analytical calculations based on the 3-site indirect exchange mechanism that predicts a Dzyaloshinskii-Moriya interaction at the interface between a ferromagnetic thin layer and a heavy metal. Our findings open up a way to control and optimize chiral effects in ferromagnetic thin films through the thickness of the heavy metal layer.

연구 동기 및 목표

• Pt/CoFeB 이종구조에서 Pt 층 두께에 따른 상호면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)의 의존성을 조사하기 위해.
• 역방향 전파되는 Damon-Eshbach 모드 간 주파수 비대칭을 측정함으로써 브릴루아인 빛 산란(BLS) 측정을 통해 DMI 강도를 정량화하기 위해.
• Pt 내 스핀-오비트 결합을 포함한 3점 간접 교환 메커니즘을 사용하여 관측된 두께 의존성을 설명하기 위해.
• DMI 결합의 공간 범위를 제한하는 스핀 확산 길이의 역할을 규명하기 위해.
• 중금속 두께 제어를 통해 자기 초박막 필름 내 나선형 스핀 구조를 공학적으로 조절할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• Pt 두께가 0에서 6 nm 범위인 Si/SiO₂/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2 nm)/Pt(d_Pt)/Cu(3 nm) 다층막을 자기 스퍼터링을 통해 제조하였다.
• 532 nm 레이저를 사용하여 스핀 웨이브 모드를 자극하고 검출하는 BLS 측정을 수행하였으며, 상반된 방향으로 전파되는 Damon-Eshbach 모드 간 주파수 비대칭에 초점을 맞추었다.
• 분석 모델 Δf(k) = 2Dk sin(ka)를 사용하여 주파수 비대칭에서 DMI 상수 D를 추출하였다.
• d_Pt에 따른 D의 함수로 실험 데이터를 피팅하기 위해 a = 0.25 nm, b = 0.39 nm, L₀y = 0.32 nm, n = 2.95 등의 파rameter를 사용하였다.
• 3점 간접 교환 메커니즘에 기반한 이론적 분석을 수행하였으며, 여기서 DMI는 Pt 내 스핀-오비트 결합이 CoFeB 스핀 간을 매개함으로써 발생한다.
• DMI의 포화 현상은 스핀 확산 길이(~1.2–2 nm)에 기인하며, 이는 전자 매개 DMI 결합의 유효 범위를 제한한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pt 층 두께가 Pt/CoFeB 필름에서 상호면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용의 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Pt/CoFeB 이종구조에서 관측된 DMI 두께 의존성의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 Pt 내 스핀 확산 길이는 이러한 시스템에서 DMI 결합의 범위를 어느 정도 제한하는가?
• RQ4 Pt 두께를 변화시킴으로써 DMI 강도를 조절하고 포화시킬 수 있으며, 그 포화 값은 얼마인가?
• RQ5 3점 간접 교환 메커니즘은 관측된 DMI 두께 의존성을 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• 상호면 DMI 강도는 Pt 두께가 증가함에 따라 증가하며, Pt 두께가 약 2 nm 이상일 경우 약 0.45 mJ/m²에서 포화된다.
• 포화 행동은 Pt 내 스핀 확산 길이에 기인하며, 이는 전자 매개 DMI 결합의 유효 범위를 제한한다.
• DMI 강도는 약 4개의 단일층(~2 nm) 두께에서 최대값 0.45 mJ/m²에 도달하며, 이를 초과하여 두께를 증가시켜도 DMI가 향상되지 않는다.
• BLS를 통해 측정한 스핀 웨이브의 주파수 비대칭은 DMI를 직접적이고 정량적으로 측정할 수 있는 수단이며, 비대칭은 파동 수 k에 선형적으로 비례한다.
• 3점 간접 교환 모델은 실험 데이터를 성공적으로 설명하며, DMI가 Pt 내 스핀-오비트 결합이 CoFeB 자성 원자 간을 매개함으로써 발생함을 보여준다.
• DMI의 유효 공간 범위는 근접한 이웃 스핀을 초월하며, 제3근접 이웃까지도 상당한 결합이 존재함을 DMI 에너지 모델 h_DM(n) = -|D_ij| s_i s_j sin(kna)을 통해 확인하였다.