[論文レビュー] A transmission electron microscope study of Néel skyrmion magnetic textures in multilayer thin film systems with large interfacial chiral interaction

S. McVitie, S. D. Hughes+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、強い界面キラル相互作用を示すスパッタリング法で作製した多層膜薄膜におけるネェルスカイアーモンを直接像像し、定量的に評価するためにローレンツ透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。粒径（約10 nm未塔）およびキラル磁化回転幅（約30 nm）が、スカイアーモンの安定性とダイナミクスを支配する重要なナノスケールパラメータであることが明らかになった。本研究は、スピントロニクス素子の設計に不可欠な知見を提供する。

ABSTRACT

Skyrmions in ultrathin ferromagnetic metal (FM)/heavy metal (HM) multilayer systems produced by conventional sputtering methods have recently generated huge interest due to their applications in the field of spintronics. The sandwich structure with two correctly-chosen heavy metal layers provides an additive interfacial exchange interaction which promotes domain wall or skyrmion spin textures that are Néel in character and with a fixed chirality. Lorentz transmission electron microscopy (TEM) is a high resolution method ideally suited to quantitatively image such chiral magnetic configurations. When allied with physical and chemical TEM analysis of both planar and cross-sectional samples, key length scales such as grain size and the chiral variation of the magnetisation variation have been identified and measured. We present data showing the importance of the grain size (mostly < 10nm) measured from direct imaging and its potential role in describing observed behaviour of isolated skyrmions (diameter < 100nm). In the latter the region in which the magnetization rotates is measured to be around 30 nm. Such quantitative information on the multiscale magnetisation variations in the system is key to understanding and exploiting the behaviour of skyrmions for future device applications.

研究の動機と目的

• スパッタリング法で作製した多層膜薄膜に生じるネェルスカイアーモンのナノスケール構造的および磁気的起源を理解すること。
• 粒径および界面磁気的異方性が孤立スカイアーモンの安定化に果たす役割を定量的に評価すること。
• 高分解能TEMを用いて、微細構造的特徴（例：粒径、層の連続性）と観察された磁気テクスチャーの相関関係を明らかにすること。
• スカイアーモンにおける磁化回転の空間的広がりを測定し、スカイアーモンダイナミクスの正確なモデリングに寄与すること。
• 将来的なスピントロニクス素子開発に向け、実験的に検証されたパラメータを提供すること。

提案手法

• 10 nm未満の分解能で、キラル磁気テクスチャーを直接像像するため、ローレンツ透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 平面および断面TEM試料作製法を併用し、面内および界面微細構造を両方分析した。
• 物理的および化学的TEM分析を用いて、スパッタリング法多層膜における粒径、層厚さ、界面品質を測定した。
• ローレンツTEM像のコントラストを解析することで、孤立スカイアーモンにおける磁化回転の空間的変化をマッピングした。
• 粒径（例：10 nm未塔）などの微細構造パラメータを、観察されたスカイアーモン径（100 nm未塔）およびキラルドメイン境界幅と相関づけた。
• 定量的画像解析を適用し、ネェルスカイアーモンにおける磁化回転領域の幅（約30 nm）を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパッタリング法多層膜薄膜における粒径は、ネェルスカイアーモンの形成および安定性にどのように影響するか？
• RQ2 孤立ネェルスカイアーモンにおける磁化回転の空間的広がりはどの程度か？ また、その広がりはトポロジカル保護とどのように関係するか？
• RQ3 界面キラル交換相互作用と薄膜微細構造が、スカイアーモンのキラリティおよび形態をどのように共同で決定するか？
• RQ4 微細構造的欠陥および粒界は、スカイアーモンの核生成および移動性にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 直接TEM像像は、デバイスレベルのモデリングに十分な精度でスカイアーモンのナノスケール磁気テクスチャーを解明できるか？

主な発見

• TEMによる直接像像により、多層膜薄膜の粒径は主に10 nm未塔であった。これは、非常にナノ結晶性の微細構造であることを示している。
• 孤立ネェルスカイアーモンにおける磁化回転領域の幅は約30 nmと測定され、トポロジカル安定性のための重要なパラメータであることが判明した。
• スカイアーモン径は100 nm未塔であった。これは、孤立して明確に定義されたトポロジカルスピンテクスチャーが形成されていることを示している。
• ローレンツTEMと化学的・構造的分析の組み合わせにより、微細構造と磁気テクスチャーの直接的相関関係が確立された。
• 多層膜系に大きな界面キラル相互作用が存在することが確認され、ネェルタイプのスカイアーモンが固定キラリティで安定化していることが示された。
• 本研究では、粒径および界面異方性が、ナノスケールにおけるスカイアーモン行動に影響を与える重要な定量的パラメータであることが示された。