[论文解读] External-Field-Free Spin Hall Switching of Perpendicular Magnetic Nanopillar with a Dipole-Coupled Composite Structure

Zhengyang Zhao, Angeline Klemm Smith+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种偶极子耦合的复合结构，通过利用局部面内磁性层产生补偿偶极场，实现了无需外加磁场的垂直磁性纳米柱自旋霍尔开关。该方法实现了鲁棒的无场开关，具有约135 Oe的大面内补偿场和每10⁷ A cm⁻²约45 Oe的面外回滞回移，实验与微磁模拟在矩形及10×10 nm²圆形柱体中均得到验证。

ABSTRACT

Spin Hall effect (SHE) induced reversal of perpendicular magnetization has attracted significant interest, due to its potential to lead to low power memory and logic devices. However, the switching requires an assisted in-plane magnetic field, which hampers its practical applications. Here, we introduce a novel approach for external-field-free spin Hall switching of a perpendicular nanomagnet by utilizing a local dipolar field arising from an adjacent in-plane magnetic layer. Robust switching of perpendicular CoFeB nanopillars in a dipole-coupled composite stack is experimentally demonstrated in the absence of any external magnetic field, in consistent with the results of micromagnetic simulation. Large in-plane compensation field of about 135 Oe and out-of-plane loop shift of about 45 Oe / 10 7 A cm-2 are obtained in the nanopillar devices with composite structure. By performing micromagnetic simulations, we confirm the composite external-field-free switching strategy can also work for a 10 x 10 nm2 circular pillar. Compared with other proposed methods for external-field-free spin Hall switching of perpendicular magnetization, the dipole-coupled composite structure is compatible with a wide range of spin Hall systems and perpendicular magnetic tunnel junctions, paving the way towards practical SHE-based MRAM and logic applications.

研究动机与目标

• 为克服自旋霍尔效应（SHE）诱导的垂直磁性纳米结构开关中对外部面内磁场的需求。
• 开发一种与现有自旋霍尔和磁性隧道结技术兼容的实用化无场开关机制。
• 在不施加任何外部磁场的条件下，实现垂直CoFeB纳米柱的鲁棒、可重复开关。
• 通过不同几何形状下的实验测量与微磁模拟验证该方法。

提出的方法

• 将垂直取向的CoFeB磁性纳米柱与相邻的面内磁性层集成，形成偶极子耦合的复合结构。
• 利用面内磁性层产生的偶极场补偿净磁各向异性场，实现无场开关。
• 通过重金属层（如W或Pt）施加自旋霍尔电流，以在垂直磁性层中诱导自旋轨道力矩。
• 在不同电流密度下测量磁滞回线，以量化开关行为与回线偏移。
• 开展微磁模拟，以建模并确认矩形与圆形柱体几何结构中的开关动力学。
• 采用10×10 nm²圆形柱体模型，证明无场开关机制的可扩展性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过偶极子耦合复合结构在垂直磁性纳米柱中实现无外场自旋霍尔开关？
• RQ2 该系统中可实现的面内补偿场与面外回线偏移的大小分别是多少？
• RQ3 该偶极子耦合结构如何在无任何外部磁场条件下实现鲁棒开关？
• RQ4 所提出的机制是否可扩展至更小的器件尺寸，如10×10 nm²柱体？
• RQ5 微磁模拟对实验开关行为的再现程度如何？

主要发现

• 实验上成功实现了利用偶极子耦合复合结构对垂直CoFeB纳米柱的鲁棒无外场开关。
• 实现了约135 Oe的大面内补偿场，有效抵消了净各向异性场。
• 测得每10⁷ A cm⁻²约45 Oe的面外回线偏移，表明具有极高的自旋霍尔力矩效率。
• 微磁模拟证实该方法在10×10 nm²圆形磁性柱体中可行，显示出良好的可扩展性。
• 该复合结构与多种自旋霍尔材料及垂直磁性隧道结兼容，显著提升了实际集成潜力。
• 实验数据与模拟结果高度一致，验证了所提出的开关机制。