[论文解读] Impact of in-plane currents on magnetoresistance properties of an exchange-biased spin-valve with insulating antiferromagnetic layer

D. N. H. Nam, Nguyen Chi Thuan+5 more|ArXiv.org|Jan 9, 2008

Magnetic properties of thin films被引用 6

一句话总结

本研究探讨了在具有绝缘性 Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O 反铁磁层的交换偏置自旋阀中，面内交变电流对磁阻的影响。尽管绝缘性反铁磁层阻止了自旋极化电流的注入，但面内电流引起的焦耳热抑制了钉扎层的翻转并降低了磁阻，而在高电流下，铁磁层之间的自旋转移力矩仍可能有所贡献。

ABSTRACT

The impact of in-plane alternating currents on the exchange bias, resistance, and magnetoresistance of a CoFe/NiCoO/CoFe/Cu/CoFe spin-valve is studied. With increasing current, the resistance is increased while the maximum magnetoresistance ratio decreases. Noticeably, the reversal of the pinned layer is systematically suppressed in both field sweeping directions. Since the NiCoO oxide is a good insulator, it is expected that the ac current flows only in the CoFe/Cu/CoFe top layers, thus ruling out any presence of spin-transfer torque acting on the spins in the antiferromagnetic layer. Instead, our measurements show clear evidences for the influence of Joule heating caused by the current. Moreover, results from temperature-dependent measurements very much resemble those of the current dependence, indicating that the effect of Joule heating plays a major role in the current-in-plane spin-valve configurations. The results also suggest that spin-transfer torques between ferromagnetic layers might still exist and compete with the exchange bias at sufficiently high currents.

研究动机与目标

• 研究面内交变电流对具有绝缘性反铁磁层的自旋阀中交换偏置、电阻和磁阻的影响。
• 确定在反铁磁层中无直接电流通过的情况下，自旋转移力矩是否仍可在电流面内（CIP）构型中发生。
• 区分热效应（焦耳热）与非热效应（自旋转移力矩）对观测到的磁输运变化的贡献。
• 将电流诱导效应与温度依赖行为进行比较，以分离加热的作用。
• 评估在高电流条件下，CIP 几何结构中铁磁层之间自旋转移力矩的持续性。

提出的方法

• 使用磁控溅射法在 8×10⁻⁶ mbar 的本底真空下制备 Co₈₅Fe₁₅/Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O/Co₈₅Fe₁₅/Cu/Co₈₅Fe₁₅ 自旋阀结构。
• 采用高电阻率的 Ni₀.₈₅Co₀.₁₅O 层（估算 >100 MΩ）以阻止电流流入反铁磁层，将焦耳热作为主要热机制。
• 通过改变电流幅度和持续时间，进行电流面内（CIP）磁阻输运测量，以研究电阻（R(H)）和磁阻（MR(H)）行为。
• 从 300 K 到 400 K 进行温度依赖性测量，以将热效应与电流诱导效应进行比较。
• 分析施加电流和冷却循环下的时间分辨电阻数据，以验证热弛豫动力学。
• 从 R(H) 曲线中提取交换偏置场（Hₑb），并比较其与电流、温度和电流持续时间的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内电流引起的焦耳热在具有绝缘性反铁磁层的自旋阀中，对交换偏置和磁阻的影响程度如何？
• RQ2 尽管反铁磁层中无电流通过，自旋转移力矩是否仍可在电流面内（CIP）构型中发生？
• RQ3 电流诱导的电阻和 Hₑb 变化与纯温度变化引起的热效应相比，其定量关系如何？
• RQ4 为何在电流作用下交换偏置的抑制程度超过仅由温度引起的预期值，即使在电阻值匹配的情况下？
• RQ5 热效应与自旋转移力矩对钉扎层翻转抑制的相对贡献如何？

主要发现

• 增加面内电流幅度导致电阻单调增加，最大磁阻比减小。
• 随着电流增加，钉扎层的翻转系统性地被抑制，即使在低电流水平下，交换偏置尚未显著改变时亦如此。
• 温度依赖性测量显示与电流依赖性测量具有定性相同的趋势，表明焦耳热是主导机制。
• 在电阻值匹配时，电流作用下交换偏置场的抑制更强（Hₑb ≈ 110 Oe，70 mA，300 K），而纯热效应下抑制较弱（Hₑb ≈ 165 Oe，0.05 mA，320 K），表明存在额外的非热效应。
• 70 mA 和 300 K 时的电阻值低于 0.05 mA 和 340 K 时的值，表明电流对降低电阻的作用强于温度单独作用，提示在 CIP 几何结构中存在自旋转移力矩的贡献。