[论文解读] How to measure the local Dzyaloshinskii Moriya Interaction in Skyrmion Thin Film Multilayers

Mirko Baćani, Miguel A. Marioni+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本研究通过磁力显微镜（MFM）测量了自旋冰形成材料Ir/Co/Pt多层膜中局域Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，发现由于Co层厚度存在±1.2个原子单层的不均匀性（在0.6 nm范围内），导致50 nm区域内的DM相互作用比平均值高75%，从而使Skyrmion被钉扎，表明在纳米尺度上层的平整度对薄膜中Skyrmion的迁移性至关重要。

ABSTRACT

The current driven motion of skyrmions in MnSi and FeGe thinned single crystals could be initiated at current densities of the order of $10^6$ A/m, five orders of magnitude smaller than for magnetic domain walls. The technologically crucial step of replicating these results in thin films has not been successful to date, but the reasons are not clear. Elucidating them requires analyzing system characteristics at scales of few nm where the key Dzyaloshinskii Moriya (DM) interactions vary, and doing so in near application conditions, i.e. oxidation protected systems at room temperature. In this work's magnetic force microscopy (MFM) studies of magnetron sputtered Ir/Co/Pt multilayers we show skyrmions that are smaller than previously observed, are not circularly symmetric, and are pinned to 50 nm wide areas of 75 percent higher than average DM interaction. This finding matches our measurement of Co layer thickness inhomogeneity of the order of $\\pm$1.2 atomic monolayers per 0.6 nm layer, and indicates that layer flatness must be controlled with greater precision to preclude skyrmion pinning.

研究动机与目标

• 为了理解尽管理论预测前景良好，为何薄膜中Skyrmion的电流驱动运动效率仍低于体材料。
• 为了明确局域Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用在Ir/Co/Pt多层膜中钉扎Skyrmion的作用。
• 为了在接近实际应用条件（氧化保护、室温）下，测量纳米尺度上DM相互作用的空间变化。
• 为了将观测到的Skyrmion钉扎与Co层的原子尺度厚度不均匀性相关联。
• 为了建立一种使用MFM量化Skyrmion系统中局域DM相互作用的方法。

提出的方法

• 对磁控溅射制备的Ir/Co/Pt多层膜进行磁力显微镜（MFM）测量，以成像Skyrmion形貌及其空间分布。
• 分析MFM图像以检测偏离圆形对称性的现象，并识别局域钉扎位点。
• 通过将Skyrmion钉扎位置与结构不均匀性相关联，测量局域DM相互作用强度的变化。
• 利用截面分析量化Co层厚度不均匀性，发现其在0.6 nm范围内为±1.2个原子单层。
• 将MFM观测到的Skyrmion行为与结构数据进行比较，推断局域DM相互作用的增强。
• 采用室温、氧化保护样品，以确保结果与实际器件应用的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在体材料中已取得成功，为何当前驱动的Skyrmion运动在薄膜多层膜中仍会失效？
• RQ2 在纳米尺度上，局域Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用在薄膜中的变化如何？
• RQ3 Co层中原子尺度的厚度不均匀性在多大程度上影响Skyrmion的钉扎？
• RQ4 磁力显微镜（MFM）能否可靠地映射Skyrmion系统中局域DM相互作用强度？
• RQ5 在薄膜多层膜中实现可移动Skyrmion所需的层平整度水平是多少？

主要发现

• Ir/Co/Pt多层膜中的Skyrmion比以往观测到的更小，并表现出非圆形对称性。
• Skyrmion被强烈钉扎在DM相互作用比平均值高75%的50 nm宽区域内。
• 观测到的钉扎与Co层在0.6 nm范围内±1.2个原子单层的厚度不均匀性相关。
• 本研究确定局域DM相互作用不均匀性是限制薄膜中Skyrmion迁移性的关键因素。
• 结果表明，为防止未来器件中Skyrmion的钉扎，必须提高原子尺度的层平整度。
• 磁力显微镜（MFM）被验证为在环境条件下测量Skyrmion系统中局域DM相互作用的可行工具。