[论文解读] Magnetic Proximity Effect in Pt/CoFe2O4 Bilayers

Walid Amamou, I.N. Pinchuk+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本研究展示了分子束外延生长的Pt/CoFe2O4双异质结中的磁近邻效应（MPE），其中自旋极化的电子从亚铁磁性的CoFe2O4诱导Pt层产生铁磁性。在5 K下进行的角依赖磁阻和反常霍尔效应测量证实了诱导铁磁性，其具有增强的矫顽力和剩磁，且得到DFT计算和Cu阻隔层控制实验的支持，表明 spinel ferrites 作为通过近邻诱导磁性实现自旋电子学应用的有前途材料。

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.

研究动机与目标

• 研究通过分子束外延生长的Pt/CoFe2O4双异质结中磁近邻效应（MPE）的存在。
• 分离并量化Pt层中各向异性磁阻（AMR）和自旋霍尔磁阻（SHMR）的贡献。
• 确定Pt层是否通过与CoFe2O4的近邻耦合获得诱导铁磁序。
• 通过密度泛函理论（DFT）计算和插入Cu阻隔层的控制实验验证诱导铁磁性。
• 探索spinel ferrites作为通过近邻交换场实现自旋调控的材料潜力。

提出的方法

• 在4.2 K下进行角依赖磁阻测量，以分离Pt层中各向异性磁阻（AMR）和自旋霍尔磁阻（SHMR）的贡献。
• 通过反常霍尔效应（AHE）测量探测Pt中诱导铁磁相的磁滞特性。
• 在Pt与CoFe2O4之间插入Cu阻隔层，以抑制近邻诱导磁性并确认其起源。
• 通过密度泛函理论（DFT）计算模拟电子结构，并验证Pt中诱导自旋极化的存在。
• 采用分子束外延（MBE）生长高质量、晶格匹配的Pt/CoFe2O4异质结。
• 使用5 K低温恒温器以最小化热涨落，增强对微弱磁近邻效应的检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pt/CoFe2O4双异质结中的Pt层是否由于与亚铁磁性CoFe2O4的磁近邻耦合而表现出诱导铁磁性？
• RQ2 各向异性磁阻（AMR）和自旋霍尔磁阻（SHMR）对Pt中观测到的磁阻的相对贡献是什么？
• RQ3 Pt中诱导铁磁相的磁滞特性与体相CoFe2O4相比如何？
• RQ4 通过插入非磁性Cu阻隔层是否能够抑制Pt中的诱导铁磁性，从而确认其近邻起源？
• RQ5 Pt中的诱导磁性是否与密度泛函理论的理论预测一致？

主要发现

• 在5 K下进行的角依赖磁阻测量清晰显示出Pt层中的各向异性磁阻（AMR）信号，表明存在诱导铁磁性。
• 反常霍尔效应测量显示，Pt中存在垂直于平面的磁滞回线，其矫顽力和剩磁高于体相CoFe2O4，证实了稳定诱导铁磁相的存在。
• 插入Cu阻隔层后，AMR和AHE信号被抑制，提供了强有力的实验证据，表明诱导铁磁性源于近邻耦合。
• DFT计算通过显示由于与CoFe2O4的交换耦合，Pt界面处存在自旋极化，支持了实验结果。
• 在Pt/CoFe2O4中观测到的磁近邻效应确立了spinel ferrites家族作为基于近邻诱导磁性的自旋电子学器件的可行平台。
• 结果表明，Pt/CoFe2O4异质结可容纳长程、稳定的诱导铁磁态，为自旋轨道电子学和自旋逻辑器件提供了潜在应用前景。