[논문 리뷰] Mn4N ferrimagnetic thin films for sustainable spintronics

Toshiki Gushi, Klug, M. Jovičević외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 21.

ZnO doping and properties참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 희토류 및 중금속 기반 스핀트로닉스 재료의 지속 가능한 대안으로, SrTiO3 기반막 위에 에pitaxial으로 형성된 Mn4N 박막이 수직 자화성, 높은 특이 홀 각도(2%), 그리고 스핀 궤도 토크 없이도 스핀 분극 전류에 의해 고도로 이동 가능한 도메인 벽을 나타냄을 보여준다. 주요 결과는 높은 스핀 분극도와 감소된 자화도 덕분에 강한 아디아바틱 스핀 전달 토크로 인해 기록적인 도메인 벽 속도(~1 km/s)가 가능하다는 것이다.

ABSTRACT

Spintronics, which is the basis of a low-power, beyond-CMOS technology for computational and memory devices, remains up to now entirely based on critical materials such as Co, heavy metals and rare-earths. Here, we show that Mn4N, a rare-earth free ferrimagnet made of abundant elements, is an exciting candidate for the development of sustainable spintronics devices. Mn4N thin films grown epitaxially on SrTiO3 substrates possess remarkable properties, such as a perpendicular magnetisation, a very high extraordinary Hall angle (2%) and smooth domain walls, at the millimeter scale. Moreover, domain walls can be moved at record speeds by spin polarised currents, in absence of spin-orbit torques. This can be explained by the large efficiency of the adiabatic spin transfer torque, due to the conjunction of a reduced magnetisation and a large spin polarisation. Finally, we show that the application of gate voltages through the SrTiO3 substrates allows modulating the Mn4N coercive field with a large efficiency.

연구 동기 및 목표

• 스핀트로닉스 장치에서 비용이 많이 들고 공급이 위험한 Co, 중금속, 희토류 등과 같은 핵심 재료의 지속 가능한 대체재를 개발하기 위해.
• 스핀트로닉스 응용을 위한 에pitaxial Mn4N 박막의 자성 및 전기적 성질을 조사하기 위해.
• Mn4N/SrTiO3 이중막에서 게이트 전압을 통해 자기 이방성의 전기적 제어를 입증하기 위해.
• 스핀 궤도 토크 없이도 스핀 분극 전류 주입 조건에서 도메인 벽의 역학을 평가하기 위해.

제안 방법

• Pulsed laser deposition를 사용하여 SrTiO3 (001) 기반막 위에 에pitaxial Mn4N 박막을 성장시켰다.
• SQUID 자화도 측정기 및 진동 샘플 자화도 측정기를 사용하여 자화 이방성과 자화를 특성화하였다.
• 특이 홀 효과를 측정하여 홀 각도와 스핀 분극도를 결정하였다.
• 스핀 분극 전류 주입과 실시간 영상 촬영 기법을 사용하여 도메인 벽의 운동을 탐색하였다.
• SrTiO3 기반막을 통해 게이트 전압을 인가하여 Mn4N의 난이도를 조절하였다.
• 아디아바틱 스핀 전달 토크 모델에 기반한 이론적 분석을 통해 높은 도메인 벽 속도를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn4N 박막은 스핀트로닉스 장치에 적합한 수직 자화 이방성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 Mn4N에서 특이 홀 각도의 크기는 얼마이며, 이는 스핀 분극도에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 스핀 궤도 토크 없이도 스핀 분극 전류만으로 Mn4N의 도메인 벽을 고속으로 이동시킬 수 있는가?
• RQ4 SrTiO3 기반막을 통해 인가된 게이트 전압이 Mn4N의 난이도에 얼마나 효과적으로 영향을 미치는가?
• RQ5 감소된 자화도와 높은 스핀 분극도를 동시에 갖춘 Mn4N에서 아디아바틱 스핀 전달 토크 효율이 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• Mn4N 박막은 잘 정의된 수직 자화 성향을 보이며, 외부 방향 자화 성질을 갖는다.
• 특이 홀 각도는 2%에 도달하여 재료 내 고도의 스핀 분극도를 나타낸다.
• 스핀 궤도 토크 없이도 스핀 분극 전류 주입 조건에서 Mn4N의 도메인 벽이 최대 약 1 km/s의 기록적인 속도로 이동 가능하다.
• 높은 도메인 벽 이동성은 높은 스핀 분극도와 감소된 자화도의 조합 덕분에 강력한 아디아바틱 스핀 전달 토크로 인해 발생한다.
• SrTiO3 기반막을 통해 인가된 게이트 전압은 Mn4N의 난이도를 고도로 조절할 수 있었으며, 자기 이방성의 전기적 제어를 입증하였다.
• 밀리미터 스케일에서 매끄러운 도메인 벽이 관찰되어 낮은 붙잡힘과 높은 재료 품질을 나타낸다.