[논문 리뷰] Tuning of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction by He$^+$ ion irradiation

Hans T. Nembach, Émilie Jué외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 15.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 38인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 헬륨 이온(He⁺) 주입이 Ta/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/Pt/MgO 다층막에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 국소적으로 조절할 수 있음을 보여주며, 2×10¹⁶ 이온/cm² 이하의 농도에서 DMI가 약 20% 증가한다. 이후 열화가 발생하기 이르기까지이다. 몬테카를로 시뮬레이션은 제어된 표면 불순물이 삼중자 교환 메커니즘을 강화시켜 스카이머션 기반 스핀트로닉스 장치를 위한 나노스케일 DMI 공학을 가능하게 함을 확인한다.

ABSTRACT

We studied the impact of He$^+$ irradiation on the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) in Ta/Co20Fe60B20/Pt/MgO samples. We found that irradiation with of 40 keV He$^+$ ions increases DMI by approximately 20% for fluences up to 2$\cdot$10$ m{^{16}}$ $ m{ions/cm}^2$ before it decreases for higher fluence values. In contrast, the interfacial anisotropy shows a distinctly different fluence dependence. To better understand the impact of the ion irradiation on the Ta and Pt interfaces with the Co20Fe60B20 layer, we carried out Monte-Carlo simulations, which showed an expected increase of disorder at the interfaces. A moderate increase in disorder can increase the total number of triplets for the three-site exchange mechanism and can consequently increase the DMI. Our results demonstrate that the DMI can be locally engineered at the nanometer scale, providing a highly promising approach to advance skyrmion-based memories.

연구 동기 및 목표

• 자기 다층막에서 He⁺ 이온 주입이 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• Ta/CoFeB 및 Pt/CoFeB 표면에서 이온에 의한 불순물이 DMI를 어떻게 수정하는지 이해하기 위해.
• 스핀트로닉스 응용을 위한 국소적, 나노스케일 DMI 공학의 가능성 탐색하기 위해.
• 몬테카를로 방법을 사용하여 실험적 DMI 변화와 시뮬레이션된 표면 불순물 간의 상관관계를 분석하기 위해.

제안 방법

• 40 keV의 He⁺ 이온을 2×10¹⁶ 이온/cm²까지 다양한 농도로 Ta/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/Pt/MgO 다층막에 주입하기.
• 자기공명 및 스핀파 스펙트로스코피 기법을 사용하여 DMI 측정하기.
• 자기측정을 통해 표면 이종성의 양을 정량화하고 DMI 경향과 비교하기.
• Ta/CoFeB 및 Pt/CoFeB 표면에서 이온에 의한 원자적 불순물 상태를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션 수행하기.
• 삼중자 교환 메커니즘을 사용하여 증가한 불순물이 강화된 DMI와 연결하기.
• DMI 및 이종성의 농도 의존적 변화 분석을 통해 최적의 주입 조건 도출하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 He⁺ 이온 주입 농도가 Ta/CoFeB/Pt/MgO 다층막에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 삼중자 교환 메커니즘을 통해 표면 불순물이 DMI 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 표면 이종성은 DMI 변화와 비교하여 이온 주입에 대해 어떻게 반응하는가?
• RQ4 제어된 이온 주입이 스핀트로닉스 응용을 위한 국소적, 나노스케일 DMI 조절을 가능하게 하는가?
• RQ5 몬테카를로 시뮬레이션은 실험적으로 관측된 DMI 경향을 어느 정도 정확히 재현하는가?

주요 결과

• He⁺ 이온 농도가 2×10¹⁶ 이온/cm² 이하일 때 DMI는 약 20% 증가한다.
• 2×10¹⁶ 이온/cm²를 초과하면 과도한 불순물 또는 구조 손상으로 인해 DMI가 감소한다.
• 표면 이종성은 DMI 경향과 다름을 보이며 농도 의존적으로 명확하게 변화한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 중간 정도의 표면 불순물이 삼중자 교환 메커니즘에서 활성화된 삼중자 수를 증가시킴을 확인한다.
• 관측된 DMI 증가는 불순물 표면에서 증가한 스핀-오비탈 결합 및 삼중자 형성에 기인한다.
• 결과적으로, 스카이머션 기반 메모리 장치를 위한 나노스케일에서 국소적 이온 빔 기반 DMI 공학의 잠재력이 입증된다.