[论文解读] Low Gilbert Damping Constant in Perpendicularly Magnetized W/CoFeB/MgO Films with High Thermal Stability

Dustin M. Lattery, Delin Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 32被引用 3

一句话总结

本研究利用时间分辨磁光克尔效应测量了具有垂直磁各向异性（PMA）的W/CoFeB/MgO薄膜中吉尔伯特阻尼常数（α）随后退火温度的变化，探究其在不同退火温度下的行为。在350 °C退火时，α达到最小值0.016，归因于CoFeB晶化与界面死层生长之间的竞争效应，与Ta基参考薄膜相比，其热稳定性得到进一步验证。

ABSTRACT

Perpendicular magnetic materials with low damping constant and high thermal stability have great potential for realizing high-density, non-volatile, and low-power consumption spintronic devices, which can sustain operation reliability for high processing temperatures. In this work, we study the Gilbert damping constant (α) of perpendicularly magnetized W/CoFeB/MgO films with a high perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and superb thermal stability. The α of these PMA films annealed at different temperatures is determined via an all-optical Time-Resolved Magneto-Optical Kerr Effect method. We find that α of these W/CoFeB/MgO PMA films decreases with increasing annealing temperature, reaches a minimum of α = 0.016 at an annealing temperature of 350 °C, and then increases to 0.024 after post-annealing at 400 °C. The minimum α observed at 350 °C is rationalized by two competing effects as the annealing temperature becomes higher: the enhanced crystallization of CoFeB and dead-layer growth occurring at the two interfaces of the CoFeB layer. We further demonstrate that α of the 400 °C-annealed W/CoFeB/MgO film is comparable to that of a reference Ta/CoFeB/MgO PMA film annealed at 300 °C, justifying the enhanced thermal stability of the W-seeded CoFeB films.

研究动机与目标

• 确定具有垂直磁各向异性的W/CoFeB/MgO薄膜中吉尔伯特阻尼常数（α）随温度的依赖关系。
• 识别调控α随后退火温度变化的微观机制。
• 评估W基CoFeB薄膜相对于传统Ta/CoFeB/MgO结构的热稳定性。
• 为高密度、低功耗自旋电子器件应用，优化α与热稳定性。

提出的方法

• 采用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）测量W/CoFeB/MgO薄膜中的吉尔伯特阻尼常数（α）。
• 样品在300 °C至400 °C的温度范围内进行后退火，以研究热效应对α的影响。
• 通过超快光激发后磁化动力学的衰减行为提取阻尼常数。
• 对在300 °C退火的Ta/CoFeB/MgO参考薄膜进行了对比测量。
• 分析界面死层形成与CoFeB晶化的角色，以解释α随退火温度的变化趋势。
• 在所有退火条件下均保持垂直磁各向异性（PMA），以确保磁取向的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 W/CoFeB/MgO薄膜中的吉尔伯特阻尼常数（α）如何随后退火温度变化？
• RQ2 导致α随退火温度变化的主导微观机制是什么？
• RQ3 W/CoFeB/MgO薄膜的热稳定性与传统Ta/CoFeB/MgO薄膜相比如何？
• RQ4 是否能在W基PMA薄膜中同时实现低α值与高热稳定性？
• RQ5 为最小化α并保持结构与磁性完整性，最优退火温度是多少？

主要发现

• W/CoFeB/MgO薄膜中的吉尔伯特阻尼常数（α）随退火温度升高而减小，至350 °C时达到最小值α = 0.016。
• 在400 °C时，α增加至0.024，表明由于界面死层形成增强，阻尼性能退化。
• 350 °C时α的最小值源于CoFeB晶化改善（降低α）与界面死层生长（增加α）之间的平衡。
• 400 °C退火的W/CoFeB/MgO薄膜的α值与300 °C退火的Ta/CoFeB/MgO薄膜相当，证实W基结构具有更优的热稳定性。
• W/CoFeB/MgO体系在保持高热稳定性的同时实现了低阻尼常数（α = 0.016），适用于高温、低功耗自旋电子器件。
• 本研究证明，通过界面工程与受控退火，可同时优化PMA基磁性异质结构中的α与热稳定性。