[논문 리뷰] Tunable sign change of spin Hall magnetoresistance in Pt/NiO/YIG structures

Dazhi Hou, Zhiyong Qiu외 8명|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|2016. 10. 24.

Magnetic properties of thin films인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 NiO 두께와 온도를 제어하여 Pt/NiO/YIG 삼중막에서 스핀 홀 마그네토저항성(SMR)의 가역적 부호 반전을 입증한다. 저온에서의 음성 SMR는 NiO의 네일 순서와 YIG의 자화 사이의 스핀-플롭 결합에서 기인하며, 이는 고온에서 YIG의 양성 SMR 기여와 경쟁하여 온도 또는 NiO 두께를 통해 SMR 부호를 가역적으로 스위칭할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Spin Hall magnetoresistance (SMR) has been investigated in Pt/NiO/YIG structures in a wide range of temperature and NiO thickness. The SMR shows a negative sign below a temperature which increases with the NiO thickness. This is contrary to a conventional SMR theory picture applied to Pt/YIG bilayer which always predicts a positive SMR. The negative SMR is found to persist even when NiO blocks the spin transmission between Pt and YIG, indicating it is governed by the spin current response of NiO layer. We explain the negative SMR by the NiO 'spin-flop' coupled with YIG, which can be overridden at higher temperatures by positive SMR contribution from YIG. This highlights the role of magnetic structure in antiferromagnets for transport of pure spin current in multilayers.

연구 동기 및 목표

• 기존의 SMR 이론과는 반대로, Pt/NiO/YIG 이종구조에서 비정상적인 음성 스핀 홀 마그네토저항성(SMR)의 기원을 규명하는 것.
• NiO 두께와 온도가 SMR의 부호에 미치는 영향을 규명하여, 반자성체가 스핀 전송 효율 뿐 아니라 영향을 미친다는 가정을 도전하는 것.
• NiO에서 기인하는 음성 SMR와 YIG에서 기인하는 양성 SMR 간의 경쟁을 설명하는 현상학적 모델을 수립하는 것.
• 스핀 펌핑 및 SMR 측정을 통해 모델을 검증하고, 온도에 따라 변화하는 NiO의 투과도와 스핀 전류 전달 간의 연관성을 규명하는 것.

제안 방법

• Pt/NiO/YIG의 계면에서의 스핀 전류를 기술하는 현상학적 모델을 제안하였으며, NM/AFM 및 NM/FI 기여를 선형 조합으로 통합하였다.
• 스핀 펌핑 데이터에서 유도된 온도 의존성 투과도 함수 $ t(T) \triangleq G_F(e^{aT} - 1) $ 를 도입하여 NiO의 스핀 전달 효율을 기술하였다.
• 확산 방정식과 온사거의 원리를 사용하여 SMR를 계산하였으며, 저항률 변화는 Eq. (2)에 나타낸 바와 같이 스핀 홀 각도 $ \theta_{\text{SHE}} $, 스핀 확산 길이 $ \rho_N $, 계면 도전도를 포함한다.
• 고정된 매개변수($ \theta_{\text{SHE}} = 0.05 $, $ d_N = 4.0 $ nm, $ \rho_0 = 860 $ $ \text{nm}\times\text{nm} $, $ \tau_N = 1.5 $ nm)를 사용하여 SMR 데이터를 피팅하고 실험 데이터에서 $ G_{AF} $ 와 $ G_F $ 를 추출하였다.
• NiO의 네일 전이 온도 근처 및 그 이상의 데이터는 제외하여 지수 피팅의 타당성을 확보하고, 중간 온도 영역에 집중하였다.
• 다양한 $ d_{\text{NiO}} $ 를 가진 여러 샘플에서 NiO 두께에 따른 SMR 부호 변화를 재현함으로써 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 Pt/NiO/YIG는 기존의 Pt/YIG 이중막에서 예측되는 양성 SMR와는 반대로 저온에서 음성 SMR를 나타내는가?
• RQ2 NiO 두께는 SMR 부호가 반전되는 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 음성 SMR 기여의 기원은 무엇이며, 왜 Pt와 YIG 사이의 직접 스핀 전달이 차단된 상태에서도 지속되는가?
• RQ4 NiO와 YIG의 SMR 기여 간의 경쟁은 SMR의 가변적 부호 반전을 어떻게 유도하는가?
• RQ5 온도 의존성 스핀 투과도를 포함하는 현상학적 프레임워크를 사용하여 관측된 SMR 거동을 정량적으로 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• SMR 부호는 온도가 증가함에 따라 음성에서 양성으로 전환되며, 이 전이 온도는 NiO 두께가 증가할수록 높아진다.
• NiO가 Pt와 YIG 사이의 직접 스핀 전달을 완전히 차단하는 조건에서도 음성 SMR가 지속되며, 이는 NiO의 고유한 스핀 전류 반응에서 기인함을 시사한다.
• 음성 SMR는 NiO의 네일 순서와 YIG의 자화 사이의 스핀-플롭 결합에서 기인하며, 이는 저온에서 지배적이다.
• 고온에서는 YIG의 양성 SMR 기여가 우세해져 NiO의 음성 기여를 초월하며, 결과적으로 부호 교차가 발생한다.
• 온도 의존성 투과도 $ t(T) = G_F(e^{aT} - 1) $ 를 포함하는 현상학적 모델은 모든 측정된 샘플에서 NiO 두께에 따른 SMR 부호 변화를 성공적으로 재현하였다.
• 피팅된 매개변수로부터 $ G_{AF} $ (NiO 계면 도전도)는 NiO 두께 증가에 따라 감소하고, $ G_F $ (YIG 도전도) 역시 감소함을 확인하여 두꺼운 NiO 층에서 스핀 전류 전달 효율이 떨어짐을 나타낸다.