[논문 리뷰] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, surface anisotropy energy,and spin pumping at spin orbit coupled Ir/Co interface

Kim, Nam-Hui, Jung, Jinyong외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 10.

Magnetic properties of thin films인용 수 76

한 줄 요약

이 연구는 브릴로방 빛 산란(BLS)을 사용하여 Ir/Co 인터페이스에서의 상호작용적 디아로시오슈키-모리아 상호작용(iDMI), 표면 비틀림 및 스핀 펌프링을 조사한다. 이전 보고와는 달리, Ir/Co에서의 iDMI 부호는 Pt/Co 시스템과 동일하며, 강한 스핀 궤도 결합에도 불구하고 더 작은 iDMI 에너지 밀도(0.7 mJ/m²)를 나타낸다. 밀도가 높은 자화 및 수직 자기이성도가 크게 향상되었고, 강한 스핀 궤도 결합으로 인해 1.5 nm 두께의 Co에서 스핀 펌프링으로 인해 기이버트 감쇠 계수는 0.012에서 0.024로 증가한다.

ABSTRACT

The interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (iDMI), surface anisotropy energy, and spin pumping at the Ir/Co interface are experimentally investigated by performing Brillouin light scattering. Contrary to previous reports, we suggest that the sign of the iDMI at the Ir/Co interface is the same as in the case of the Pt/Co interface. We also find that the magnitude of the iDMI energy density is relatively smaller than in the case of the Pt/Co interface, despite the large strong spin-orbit coupling (SOC) of Ir. The saturation magnetization and the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) energy are significantly improved due to a strong SOC. Our findings suggest that an SOC in an Ir/Co system behaves in different ways for iDMI and PMA. Finally, we determine the spin pumping effect at the Ir/Co interface, and it increases the Gilbert damping constant from 0.012 to 0.024 for 1.5 nmthick Co.

연구 동기 및 목표

• Ir/Co 인터페이스에서 상호작용적 디아로시오슈키-모리아 상호작용(iDMI)의 부호와 크기를 실험적으로 결정하여 이전에 충돌하는 보고를 도전한다.
• Ir/Co에서 강한 스핀 궤도 결합(SOC)이 수직 자기이성도(PMA), 밀도 자화 및 스핀 펌프링에 미치는 영향을 조사한다.
• 브릴로방 빛 산란(BLS)을 사용하여 스핀 펌프링 효과와 기이버트 감쇠에 미치는 영향을 측정한다.
• Ir/Co 인터페이스에서 스핀 궤도 결합이 iDMI, PMA, 비접촉 유도 자화 및 스핀 펌프링에 기여하는 역할을 명확히 한다.

제안 방법

• Co 두께가 1에서 3 nm인 타이타늄(4 nm)/Ir(4 nm)/Co(tCo)/알루미나 산화물(2 nm) 다층막을 SiO2 기판에 형성한 와이드형 구조를 사용하였다.
• BLS에서 p-편광 532 nm 레이저를 사용하여 평면 내 파수벡터 kx = 0.0167 nm⁻¹인 Damon-Eshbach 표면 스핀 파동을 자극하였다.
• 스톡스 및 반스톡스 피크 간 주파수 차이(Δf)를 측정하여 Δf = 2γD / (πMs kx) 공식을 사용해 iDMI 에너지 밀도를 추출하였다.
• iDMI 부호를 확인하기 위해 θα를 -90°에서 +90°로 변화시키며 Δf를 측정하였으며, Δf(θα) = Δf₀ sinθα의 삼각함수 피팅을 수행하였다.
• Keff × tCo 대 tCo 선형 피팅을 통해 밀도 자화(Ms) 및 효과적 이성도(Keff)를 추출하였다.
• BLS 공명 피크의 반폭(full width at half maximum, FWHM)의 폭을 통해 기이버트 감쇠 계수 α를 결정하였으며, tCo⁻¹ = 0에서 외삽하여 균질한 Co의 감쇠 계수(αbulk)를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ir/Co 인터페이스에서 상호작용적 디아로시오슈키-모리아 상호작용(iDMI)의 부호와 크기는 무엇이며, Pt/Co와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 Ir의 강한 스핀 궤도 결합이 Co에서 수직 자기이성도(PMA) 및 밀도 자화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Ir/Co 인터페이스에서의 스핀 펌프링은 기이버트 감쇠 계수를 어느 정도 증가시키는가?
• RQ4 스핀 궤도 결합이 iDMI, PMA 및 스핀 펌프링에 기여하는 방식은 상호의존적인가, 아니면 별개의 기여인가?

주요 결과

• Ir/Co 인터페이스에서의 iDMI 에너지 밀도는 0.7 mJ/m²이며, Pt/Co/AlOx의 1.3 mJ/m² 및 Ta/Pt/Co/AlOx의 1.7 mJ/m²보다 현저히 작다.
• Ir/Co에서의 iDMI 부호는 Pt/Co 시스템과 동일하며, 이는 이전 보고에서 반대 부호라고 주장한 바와 모순된다.
• 강한 스핀 궤도 결합과 근접 효과로 인해 밀도 자화(Ms) 및 효과적 수직 자기이성도(Keff)가 크게 향상되었다.
• 1.5 nm 두께의 Co에서 스핀 펌프링으로 인해 기이버트 감쇠 계수는 0.012(균질한 Co)에서 0.024로 증가하였다.
• tCo⁻¹에 따른 α의 의존성은 스핀 펌프링이 감쇠 증가의 주요 원인임을 확인하였으며, αbulk ≈ 0.012는 균질한 Co의 값(0.011)과 일치한다.
• 이중 자성파 산란 및 iDMI 유도 감쇠 기여는 배제되었으며, 스핀 펌프링이 선폭 넓이 증가의 주요 원인임을 확인하였다.