[论文解读] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in Pt/CoFeB films: effect of the heavy-metal thickness

S. Tacchi, Roberto E. Troncoso+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2016

Magnetic properties of thin films被引用 15

一句话总结

本研究利用布里渊光散射（BLS）光谱学，研究了Pt/CoFeB超薄膜中厚度依赖的界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）。结果表明，DMI强度随Pt厚度增加而增强，在Pt厚度超过约2 nm时趋于饱和，饱和值约为0.45 mJ/m²，这是由于自旋轨道耦合介导的重金属内电子跃迁所致。研究通过三原子间接交换模型对结果进行解释，实现了通过重金属层结构工程对手性自旋结构的调控。

ABSTRACT

We report the observation of a Pt layer thickness dependence on the induced interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in ultra-thin Pt($d_{ ext{Pt}}$)/CoFeB films. Taking advantage of the large spin-orbit coupling of the heavy metal, the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction is quantified by Brillouin light scattering measurements of the frequency non-reciprocity of spin-waves in the ferromagnet. The magnitude of the induced Dzyaloshinskii-Moriya coupling is found to saturate to a value $0.45$ mJ$/$m${}^2$ for Pt thicknesses larger than $\sim 2$ nm. The experimental results are explained by analytical calculations based on the 3-site indirect exchange mechanism that predicts a Dzyaloshinskii-Moriya interaction at the interface between a ferromagnetic thin layer and a heavy metal. Our findings open up a way to control and optimize chiral effects in ferromagnetic thin films through the thickness of the heavy metal layer.

研究动机与目标

• 研究Pt/CoFeB异质结构中界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）随Pt层厚度的变化规律。
• 通过布里渊光散射（BLS）测量自旋波频率非互易性，量化DMI的强度。
• 利用包含Pt中自旋轨道耦合的三原子间接交换机制，解释观测到的DMI厚度依赖性。
• 确定自旋扩散长度在限制DMI耦合空间范围中的作用。
• 通过控制重金属层厚度，实现对磁性薄膜中手性自旋结构的工程调控。

提出的方法

• 采用磁控溅射法制备Si/SiO₂/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2 nm)/Pt(d_Pt)/Cu(3 nm)多层膜，Pt厚度范围为0至6 nm。
• 使用532 nm激光激发并探测自旋波模式，重点分析反向传播Damon-Eshbach模式之间的频率不对称性。
• 通过解析模型Δf(k) = 2Dk sin(ka)从频率非互易性中提取DMI强度，其中D为DMI常数。
• 将实验数据拟合至该模型，以确定D随d_Pt的变化关系，使用参数a = 0.25 nm，b = 0.39 nm，L₀y = 0.32 nm，n = 2.95。
• 基于三原子间接交换机制的理论分析，其中DMI源于Pt中自旋轨道耦合在CoFeB自旋之间起媒介作用。
• 将DMI的饱和行为与自旋扩散长度（约1.2–2 nm）关联，该长度限制了电子介导的交换作用的有效范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pt层厚度如何影响Pt/CoFeB薄膜中界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的强度？
• RQ2 Pt/CoFeB异质结构中观测到的DMI厚度依赖性的物理起源是什么？
• RQ3 Pt中的自旋扩散长度在多大程度上限制了这些体系中DMI耦合的范围？
• RQ4 通过改变Pt厚度能否调节并饱和DMI强度？其饱和值是多少？
• RQ5 三原子间接交换机制如何解释观测到的DMI厚度依赖性？

主要发现

• 界面DMI强度随Pt厚度增加而增强，并在Pt厚度超过约2 nm时趋于饱和，饱和值约为0.45 mJ/m²。
• 该饱和行为归因于Pt中的自旋扩散长度，其限制了电子介导的DMI耦合的有效作用范围。
• 当Pt厚度约为四层单原子层（约2 nm）时，DMI强度达到最大值0.45 mJ/m²，此后进一步增加厚度不再增强DMI。
• 通过BLS测量的自旋波频率非互易性可直接且定量地探测DMI，其不对称性与波矢k呈线性关系。
• 三原子间接交换模型成功解释了实验数据，表明DMI源于Pt中自旋轨道耦合在CoFeB磁性原子之间的媒介作用。
• DMI的有效空间作用范围超出最近邻自旋，对第三近邻自旋也存在显著耦合，该结论由DMI能量模型h_DM(n) = -|D_ij| s_i s_j sin(kna)得到证实。