[논문 리뷰] Magnetic Proximity Effect in Pt/CoFe2O4 Bilayers

Walid Amamou, I.N. Pinchuk외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 26.

Magnetic properties of thin films인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 분자빔 에pitaxial 기반으로 성장시킨 Pt/CoFe2O4 이중층에서 자기 근접 효과(MPE)를 입증한다. 여기서 페로자성 CoFe2O4에서 유도된 스핀 분극 전자들이 Pt 층에서 페로자성을 유도한다. 5 K에서 수행한 각도 의존성 자화율 및 비정상 허르츠 효과 측정을 통해 유도된 페로자성과 증가된 비틀림 및 잔류 자화가 확인되었으며, DFT 계산 및 Cu 스퍼터 제어 실험을 통해 이를 뒷받기며, 스핀델 페로자성체가 근접 유도 자성에 의해 스핀트로닉스 응용 분야에서 유망한 소재로 부상한다.

ABSTRACT

We observe the magnetic proximity effect (MPE) in Pt/CoFe2O4 bilayers grown by molecular beam epitaxy. This is revealed through angle-dependent magnetoresistance measurements at 5 K, which isolate the contributions of induced ferromagnetism (i.e. anisotropic magnetoresistance) and spin Hall effect (i.e. spin Hall magnetoresistance) in the Pt layer. The observation of induced ferromagnetism in Pt via AMR is further supported by density functional theory calculations and various control measurements including insertion of a Cu spacer layer to suppress the induced ferromagnetism. In addition, anomalous Hall effect measurements show an out-of-plane magnetic hysteresis loop of the induced ferromagnetic phase with larger coercivity and larger remanence than the bulk CoFe2O4. By demonstrating MPE in Pt/CoFe2O4, these results establish the spinel ferrite family as a promising material for MPE and spin manipulation via proximity exchange fields.

연구 동기 및 목표

• 분자빔 에pitaxial 기반으로 성장시킨 Pt/CoFe2O4 이중층에서 자기 근접 효과(MPE) 존재 여부를 조사하는 것.
• Pt 층 내에서 비대칭 자화율(AMR)과 스핀 홀 자화율(SHMR)의 기여도를 분리하고 정량화하는 것.
• Pt 층이 CoFe2O4와의 근접 결합을 통해 유도된 페로자성 질서를 획득하는지 확인하는 것.
• 밀도함수이론(DFT) 계산 및 비자기성 Cu 스퍼터층을 이용한 제어 실험을 통해 유도된 페로자성을 검증하는 것.
• 근접 유도 자기장에 의해 스핀 조작이 가능한 스핀델 페로자성체의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 비대칭 자화율(AMR)과 스핀 홀 자화율(SHMR)의 기여도를 분리하기 위해 4.2 K에서 각도 의존성 자화율 측정을 수행한다.
• Pt 내 유도된 페로자성 상의 자화 히스테리시스를 탐색하기 위해 비정상 허르츠 효과(AHE) 측정을 수행한다.
• Pt와 CoFe2O4 사이에 Cu 스퍼터층을 삽입하여 근접 유도 자성을 억제하고 기원을 확인한다.
• 전자 구조를 모델링하고 Pt 내 유도된 스핀 분극 존재 여부를 확인하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행한다.
• 고품질의 결정격자 일치성 있는 Pt/CoFe2O4 이중구조를 성장시키기 위해 분자빔 에pitaxial(MBE) 기술을 사용한다.
• 약한 자기 근접 효과 탐지에 기여하기 위해 열적 불안정성을 최소화하기 위해 5 K 냉각기 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자빔 에pitaxial 기반으로 성장된 Pt/CoFe2O4 이중층에서, 페로자성 CoFe2O4와의 자기 근접 결합으로 인해 Pt 층이 유도된 페로자성을 나타내는가?
• RQ2 관측된 Pt 내 자화율에 있어 비대칭 자화율(AMR)과 스핀 홀 자화율(SHMR)의 상대 기여도는 얼마인가?
• RQ3 Pt 내 유도된 페로자성 상의 자화 히스테리시스는 흐름상 CoFe2O4와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 비자기성 Cu 스퍼터층을 삽입함으로써 Pt 내 유도된 페로자성이 억제되는가? 이는 근접 기원을 확인하는 데 기여하는가?
• RQ5 Pt 내 유도된 자성은 밀도함수이론(DFT)의 이론적 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 5 K에서 수행한 각도 의존성 자화율 측정 결과, Pt 층 내 명확한 비대칭 자화율(AMR) 신호가 관측되어 유도된 페로자성이 존재함을 시사한다.
• 비정상 허르츠 효과 측정 결과, Pt 내 외부 자기장 방향의 자화 히스테리시스 루프가 관측되었으며, 이는 흐름상 CoFe2O4보다 더 높은 비틀림 및 잔류 자화를 보이며, 강력한 유도된 페로자성 상의 안정성을 확인한다.
• Cu 스퍼터층 삽입으로 AMR 및 AHE 신호가 억제되어, 유도된 페로자성이 근접 결합에서 기인함을 강력한 실험적 증거로 제시한다.
• DFT 계산은 CoFe2O4와의 교환 결합으로 인해 Pt 표면에서 스핀 분극이 발생함을 보여주며, 실험 결과를 뒷받기한다.
• Pt/CoFe2O4 내 관측된 자기 근접 효과는 스핀델 페로자성체 가족이 근접 유도 자성 기반 스핀트로닉스 장치의 실현 가능한 플랫폼이 됨을 입증한다.
• 결과적으로 Pt/CoFe2O4 이중구조는 장거리 및 강력한 유도된 페로자성 상태를 유지할 수 있음을 보여주며, 스핀 오비탈 전자공학 및 스핀 논리 응용 분야에서 잠재적 응용 가능성을 제시한다.