[论文解读] Enhanced spin-orbit torque via interface engineering in Pt/CoFeB/MgO heterostructures

Haeyeon Lee, Sanghoon Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Magnetic properties of thin films被引用 4

一句话总结

本研究证明，在Pt/CoFeB/MgO异质结构的Pt/CoFeB界面插入一层钛（Ti）可显著提高自旋轨道矩（SOT）效率。该增强效应源于界面自旋电流的增加和自旋透射率的提高，经自旋泵浦和X射线磁圆二向色性证实，从而实现更高效的电流诱导磁化翻转。

ABSTRACT

Spin-orbit torque facilitates efficient magnetization switching via an in-plane current in perpendicularly magnetized heavy metal/ferromagnet heterostructures. The efficiency of spin-orbit-torque-induced switching is determined by the charge-to-spin conversion arising from either bulk or interfacial spin-orbit interactions, or both. Here, we demonstrate that the spin-orbit torque and the resultant switching efficiency in Pt/CoFeB systems are significantly enhanced by an interfacial modification involving Ti insertion between the Pt and CoFeB layers. Spin pumping and X-ray magnetic circular dichroism experiments reveal that this enhancement is due to an additional interface-generated spin current of the nonmagnetic interface and/or improved spin transparency achieved by suppressing the proximity-induced moment in the Pt layer. Our results demonstrate that interface engineering affords an effective approach to improve spin-orbit torque and thereby magnetization switching efficiency.

研究动机与目标

• 提高自旋轨道矩（SOT）器件中电流诱导磁化翻转的效率。
• 研究界面工程在增强Pt/CoFeB/MgO异质结构中自旋轨道矩的作用。
• 理解通过界面修饰（特别是插入Ti）实现SOT增强的根源。
• 量化界面自旋电流和自旋透射率对SOT效率的影响。

提出的方法

• 在Pt/CoFeB/MgO异质结构中，在Pt与CoFeB层之间插入Ti层以实现界面工程。
• 利用自旋泵浦测量提取自旋轨道矩效率和界面自旋电流。
• 采用X射线磁圆二向色性（XMCD）探测Pt中的磁矩分布和邻近效应。
• 通过分析改性界面处的自旋电流传输，评估界面自旋透射率。
• 对Ti帽层结构与传统Pt/CoFeB/MgO结构进行对比研究，以分离界面效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pt/CoFeB界面插入Ti如何影响Pt/CoFeB/MgO异质结构中的自旋轨道矩效率？
• RQ2 增强的自旋轨道矩的根源是什么——界面自旋电流还是改善的自旋透射率？
• RQ3 界面工程在多大程度上抑制了Pt中的邻近诱导磁性？
• RQ4 改性界面如何影响电荷-自旋转换效率？

主要发现

• 在Pt与CoFeB之间插入Ti层可显著提高Pt/CoFeB/MgO异质结构中的自旋轨道矩效率。
• 自旋泵浦测量显示，Ti层导致界面自旋电流显著增加。
• XMCD分析证实，Pt层中的邻近诱导磁矩减少，表明自旋透射率提高。
• 该增强效应归因于额外的界面生成自旋电流以及界面处自旋散射的减少。
• 结果表明，通过插入Ti实现的界面工程是提升自旋电子器件中SOT效率的有效策略。