[论文解读] Tuning of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction by He$^+$ ion irradiation

Hans T. Nembach, Émilie Jué+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 38被引用 4

一句话总结

本研究证明，He⁺离子辐照可局部调节Ta/Co20Fe60B20/Pt/MgO异质结构中的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），在离子注量达2×10¹⁶ ions/cm²之前，DMI可提高约20%。蒙特卡罗模拟证实，受控的界面无序可增强三原子交换机制，从而实现对DMI的纳米尺度调控，适用于自旋电子学器件中的磁性斯kyrmion应用。

ABSTRACT

We studied the impact of He$^+$ irradiation on the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) in Ta/Co20Fe60B20/Pt/MgO samples. We found that irradiation with of 40 keV He$^+$ ions increases DMI by approximately 20% for fluences up to 2$\cdot$10$ m{^{16}}$ $ m{ions/cm}^2$ before it decreases for higher fluence values. In contrast, the interfacial anisotropy shows a distinctly different fluence dependence. To better understand the impact of the ion irradiation on the Ta and Pt interfaces with the Co20Fe60B20 layer, we carried out Monte-Carlo simulations, which showed an expected increase of disorder at the interfaces. A moderate increase in disorder can increase the total number of triplets for the three-site exchange mechanism and can consequently increase the DMI. Our results demonstrate that the DMI can be locally engineered at the nanometer scale, providing a highly promising approach to advance skyrmion-based memories.

研究动机与目标

• 研究He⁺离子辐照对磁性多层膜中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的影响。
• 理解在Ta/CoFeB和Pt/CoFeB界面处由离子注入引起的无序如何改变DMI。
• 探索局部、纳米尺度DMI工程在自旋电子学应用中的可行性。
• 通过蒙特卡罗方法将实验测得的DMI变化与模拟的界面无序相关联。

提出的方法

• 使用能量为40 keV的He⁺离子，以不同注量（最高达2×10¹⁶ ions/cm²）辐照Ta/Co20Fe60B20/Pt/MgO异质结构。
• 利用铁磁共振（FMR）和自旋波谱技术测量DMI。
• 通过磁测量量化界面各向异性，并与DMI趋势进行比较。
• 开展蒙特卡罗模拟，以模拟在Ta/CoFeB和Pt/CoFeB界面处由离子注入引起的原子无序。
• 利用三原子交换机制，将无序程度的增加与DMI的增强联系起来。
• 分析DMI和各向异性随注量的演化，以确定最优辐照参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 He⁺离子辐照注量如何影响Ta/CoFeB/Pt/MgO异质结构中的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用？
• RQ2 界面无序在通过三原子交换机制调节DMI中起什么作用？
• RQ3 与DMI相比，界面各向异性如何响应离子辐照？
• RQ4 受控的离子辐照是否能够实现面向器件应用的局部、纳米尺度DMI调节？
• RQ5 蒙特卡罗模拟在多大程度上再现了实验观测到的DMI趋势？

主要发现

• 在He⁺离子注量达2×10¹⁶ ions/cm²时，DMI增加约20%。
• 当注量超过2×10¹⁶ ions/cm²后，由于过度无序或结构损伤，DMI下降。
• 界面各向异性表现出明显的注量依赖性，其变化趋势与DMI趋势不同。
• 蒙特卡罗模拟证实，适度的界面无序可增加三原子交换机制中有效三原子对的数量。
• 观察到的DMI增强归因于无序界面处自旋-轨道耦合增强及三原子对的形成。
• 结果表明，该方法在纳米尺度上实现了基于离子束的局部DMI工程，适用于skyrmion基存储器件。