[论文解读] Current driven asymmetric magnetization switching in perpendicularly magnetized CoFeB/MgO heterostructures

Jacob Torrejón, Felipe García‐Sánchez+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究调查了在重金属（HM）底层上的垂直磁各向异性CoFeB/MgO异质结构中，电流驱动的非对称磁化翻转行为。研究发现，在较厚的HM层中，自旋霍尔扭矩是主导的翻转机制，其中生长诱导的各向异性破坏了系统的对称性，从而实现了确定性的零场翻转，且正负电流方向的阈值电流存在明显差异。

ABSTRACT

The flow of in-plane current through ultrathin magnetic heterostructures can cause magnetization switching or domain wall nucleation owing to bulk and interfacial effects. Within the magnetic layer, the current can create magnetic instabilities via spin transfer torques (STT). At interface(s), spin current generated from the spin Hall effect in a neighboring layer can exert torques, referred to as the spin Hall torques, on the magnetic moments. Here, we study current induced magnetization switching in perpendicularly magnetized CoFeB/MgO heterostructures with a heavy metal (HM) underlayer. Depending on the thickness of the HM underlayer, we find distinct differences in the inplane field dependence of the threshold switching current. The STT is likely responsible for the magnetization reversal for the thinner underlayer films whereas the spin Hall torques cause the switching for thicker underlayer films. For the latter, we find differences in the switching current for positive and negative currents and initial magnetization directions. We find that the growth process during the film deposition introduces an anisotropy that breaks the symmetry of the system and causes the asymmetric switching. The presence of such symmetry breaking anisotropy enables deterministic magnetization switching at zero external fields.

研究动机与目标

• 理解在重金属底层上的垂直磁各向异性CoFeB/MgO异质结构中，电流驱动非对称磁化翻转的物理起源。
• 在不同HM厚度下，区分磁化翻转过程中自旋转移扭矩（STT）与自旋霍尔扭矩（SHT）机制的主导作用。
• 研究生长诱导各向异性如何破坏对称性并实现零外磁场下的确定性翻转。
• 表征翻转阈值电流对电流方向和初始磁化状态的依赖关系。
• 建立对称性破缺各向异性实现高效无场翻转的条件，以适用于自旋电子学应用。

提出的方法

• 通过调节重金属（HM）底层（如W、Ta）的厚度，制备了具有不同HM厚度的CoFeB/MgO异质结构，以调控自旋霍尔扭矩效率。
• 在可变的面内磁场下，进行面内电流驱动的磁化翻转测量，以探测阈值电流的不对称性。
• 分析翻转电流阈值对电流极性和初始磁化方向的依赖关系，以识别扭矩的主导机制。
• 利用厚度依赖性研究，区分较薄HM层中的自旋转移扭矩（STT）与较厚层中的自旋霍尔扭矩（SHT）。
• 将薄膜生长条件与单向各向异性的出现相关联，确认其为对称性破缺的来源。
• 采用磁阻测量检测翻转事件，并在零外磁场下确认确定性反转。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有重金属底层的CoFeB/MgO异质结构中，主导电流驱动磁化翻转的物理机制是自旋转移扭矩还是自旋霍尔扭矩？
• RQ2 重金属底层的厚度如何影响正负电流方向下翻转电流阈值的不对称性？
• RQ3 正负电流脉冲之间观察到的翻转行为不对称性由何原因引起？
• RQ4 生长过程在多大程度上引入了各向异性，从而破坏系统的对称性并实现零场翻转？
• RQ5 由于内在的对称性破缺各向异性，是否可以实现无需外加面内磁场的确定性磁化反转？

主要发现

• 对于较薄的重金属底层，自旋转移扭矩（STT）是主导的翻转机制，且在不同电流方向下表现出对称的翻转行为。
• 对于较厚的重金属底层，自旋霍尔扭矩（SHT）占主导地位，导致正负电流脉冲的翻转阈值存在明显差异。
• 观察到的翻转电流不对称性归因于生长诱导的各向异性，该各向异性破坏了系统的对称性，厚度依赖性测量结果已证实这一点。
• 这种内在各向异性使零外磁场下的确定性磁化翻转成为可能，这是实现能效型自旋电子学器件的关键要求。
• 翻转不对称性具有强鲁棒性和可重复性，其阈值电流值在不同电流极性和初始磁化取向之间存在明显差异。
• 随着HM厚度增加，翻转机制从STT主导向SHT主导的转变，证实了自旋霍尔效应在实现无场非对称翻转中的关键作用。