[논문 리뷰] Magnetization switching by spin-orbit torque in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer system

Shunsuke Fukami, Chaoliang Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 03.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 39인용 수 952

한 줄 요약

이 연구는 스핀-오빗 토크(SOT)를 이용하여 반자성체/자성체(AFM/FM) 이중막에서 전기장에 의해 유도된 자화 전환을 입증한다. PtMn에 의한 교환 편향을 통해 외부 자기장이 없는 조건에서도 전환 가능하며, 이는 초고속·저전력 스핀트로닉스 및 뉴로모픽 장치에의 응용 가능성을 열어준다. 시스템은 외부 자기장 없이 SOT에 의해 자화 전환이 가능하며, 전류의 크기를 조절하여 연속적인 아날로그 제어가 가능한 메모리스터 유사 행동을 나타내어, 초고속·저전력 스핀트로닉스 및 뉴로모픽 장치에의 응용 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT)-induced magnetization switching shows promise for realizing ultrafast and reliable spintronics devices. Bipolar switching of perpendicular magnetization via SOT is achieved under an in-plane magnetic field collinear with an applied current. Typical structures studied so far comprise a nonmagnet/ferromagnet (NM/FM) bilayer, where the spin Hall effect in the NM is responsible for the switching. Here we show that an antiferromagnet/ferromagnet (AFM/FM) bilayer system also exhibits a SOT large enough to switch the magnetization of FM. In this material system, thanks to the exchange-bias effect of the AFM, we observe the switching under no applied field by using an antiferromagnetic PtMn and ferromagnetic Co/Ni multilayer with a perpendicular easy axis. Furthermore, tailoring the stack achieves a memristor-like behaviour where a portion of the reversed magnetization can by controlled in an analogue manner. The AFM/FM system is thus a promising building block for SOT devices as well as providing an attractive pathway towards neuromorphic computing.

연구 동기 및 목표

• 반자성체/자성체(AFM/FM) 이중막 시스템에서 스핀-오빗 토크(SOT)에 의한 자화 전환을 입증하기 위해.
• PtMn에 의한 교환 편향을 이용하여 수직 자화의 외부 자기장이 없는 전환을 달성하기 위해.
• AFM/FM 시스템이 뉴로모픽 계산에서 아날로그적·메모리스터 유사 동작 가능성을 탐색하기 위해.
• 교환 편향 강도가 도메인 월리 동역학 및 자화 전환 메커니즘에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 스퍼터링을 통해 실리콘 웨이퍼 기반의 Ta/Pt/PtMn/CoNi/MgO/Ta 다층막을 제작하였다.
• 300 °C에서 1.2 T 자기장 하에 평행 방향의 열처리를 수행하여 PtMn에서 교환 편향을 확립하였다.
• 자화 상태를 탐색하기 위해 수직 자기장(HZ)에 대한 홀 저항(RH)을 측정하였다.
• 평행 전류(ICH)를 인가하여 스핀-오빗 토크를 생성하고, 코ercivity(HC) 및 RH-HZ 루프의 변화를 관찰하였다.
• PtMn 두께(tPtMn = 2.0–8.5 nm)를 변화시켜 교환 편향 강도를 조절하고 전환 행동에 미치는 영향을 연구하였다.
• 감쇠되는 HZ 하에서 자화 해제 사이클을 수행하여 교환 편향이 있는 샘플에서 다중 도메인 상태를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오빗 토크는 외부 자기장이 없는 AFM/FM 이중막에서 자화 전환을 유도할 수 있는가?
• RQ2 PtMn에 의한 교환 편향은 SOT에 의한 전환의 대칭성과 임계 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 AFM/FM 시스템은 자화 전환의 연속적·아날로그 제어가 가능한 메모리스터 유사 행동을 나타낼 수 있는가?
• RQ4 교환 편향이 있는 AFM/FM 이종 구조에서 주로 작용하는 전환 메커니즘은 도메인 월 이동인지, 핵심 형성인지?
• RQ5 PtMn의 스핀 홀 각도는 측정 가능한 부호와 크기를 갖는 Slonczewski 유사 SOT를 생성하는가?

주요 결과

• PtMn/CoNi 자성체 이중막에서 외부 자기장 없이도 교환 편향에 의해 수직 자화의 SOT 유도 전환이 달성되었다.
• tPtMn ≥ 7.0 nm인 경우, 전환 대칭성이 네 방향(non-biased)에서 두 방향(biased)으로 변화하여, PtMn의 양의 스핀 홀 각도에 기인한 전류 방향 의존성 전환이 나타났다.
• 전류 크도 증가함에 따라 코ercivity(HC)가 감소하였으며, 32 mA 전류로 교환 편향 장치에서 HC가 최대 12 mT 감소하였다.
• tPtMn = 8.0–8.5 nm인 장치는 펄스 전류 하에서 중간 홀 저항 상태를 나타내어 안정적인 다중 도메인 구성과 메모리스터 유사 행동을 보였다.
• 자화 해제 실험을 통해 중간 상태가 열적 또는 Oersted 자기장 효과가 아닌, 교환 편향에 의해 유도된 도메인 고정에 기인함을 확인하였다.
• 자기장 각도 의존성 실험에서 tPtMn = 8.0 nm 샘플은 Kondorsky 모델에서 벗어난 결과를 보였으며, 도메인 월 이동이 억제되어 핵심 형성이 지배적인 전환 메커니즘이라고 나타났다.