수직 자화 경마장에서 전류 유도 영역 벽 운동 및 기울기

결과 및 토론

키랄 Néel DW 모델을 기반으로, 우리는 먼저 평면 내 바이어스 필드 H 아래의 비정상적인 홀 루프를 조사했습니다. _x DMI 강도 및 SOT 효율성을 얻기 위해(추가 파일 1 참조). 획득한 DMI 유효 필드(H _DMI ) Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta의 경우 각각 약 1370 및 1055 Oe입니다. 포화된 χ (χ ^토 ) 최대 SOT 효율을 나타내는 약 10.0 및 8.3 Oe/(10 ⁶ A/cm ² ) Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta 각각. 감소된 χ ^토 Pt/Co/C/Ta의 경우 Co와 C 사이의 계면뿐만 아니라 C와 Ta 사이의 계면으로부터의 일부 상호확산 및 화학 반응이 스핀 반전 확률을 증가시키고 상부 Ta로부터의 스핀 전류의 효과적인 주입을 감소시킨다는 점에 있을 수 있습니다. . 또한 DMI 교환 상수의 세기 |D | 측정된 |H에서 계산할 수도 있습니다. _DMI | |D 사용 | =μ ₀ 엠 _s ∆ |안 _DMI | [26], 여기서 ∆ 는 DW 폭이며 교환 강성 상수 A와 관련이 있습니다. 및 유효 PMA 에너지 밀도 K _효과 ∆를 통해 =(A /케이 _효과 ) ^1/2 . M 사용 _s (각각 약 1.213×10 ⁶ 및 1.288×10 ⁶ A/m Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta) 및 K _효과 (각각 약 4.1×10 ⁵ 및 2.1×10 ⁵ J/m ³ Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta에 대해) 이전 작업에서 보고된 대로 A ≈ 1. 5 × 10 ⁻¹¹ 지/ m [27], 추정치 |D | =1.01 ± 0.16 mJ/ m ² Pt/Co/Ta 및 |D용 | =1.15 ± 0.14mJ/ m ² Pt/Co/C/Ta용. |D의 차이 | 값은 이 두 샘플에서 약한 것으로 보입니다. 이는 전체 DMI 강도가 하단 Pt/Co 인터페이스와 상단 Co/Ta 또는 Co/C 인터페이스의 두 가지 기여로 인해 발생한다고 설명할 수 있습니다. 하단 Pt/Co 인터페이스가 매우 유사하기 때문에 |D에 동등하게 기여합니다. |. 반면, 상위 Co/Ta 또는 Co/C 인터페이스의 기여에 대해 Ma et al. [28] 보고함 |D | Ta에 의한 유도는 Pt에 의한 유도보다 훨씬 약하다. 따라서 상위 Co/Ta 인터페이스는 전체 |D의 기여도에 약합니다. |. 그리고 C의 매우 약한 스핀-궤도 결합으로 인해 상단 Co/C 인터페이스의 기여도 무시할 수 있습니다. 또한 하단 Pt/Co 및 상단 Co/Ta 인터페이스 모두 DMI에 기여하지만 부분적으로 상쇄할 수 있습니다. 서로 [28], 약간 감소 |D | Pt/Co/C/Ta 샘플과 비교한 Pt/Co/Ta 샘플의 경우. 결과적으로 유사한 |D | Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta 샘플의 경우 DMI 강도가 주로 Pt/Co 인터페이스의 기여에서 비롯됨을 보여줍니다. 또한 이 두 샘플의 경우 H _DMI /안 _케이 (Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta에 대해 각각 약 0.2 및 0.3)은 2/π보다 작습니다. 동안 H _DMI Néel DW [25, 26]를 안정화하는 데 필요한 이론적 임계값을 초과하지 않는 경우 이 두 샘플의 키랄 Néel DW는 아래에서 논의될 CIDWM 동작을 관찰하여 입증됩니다. 한편, 변칙적인 홀은 면내 바이어스 필드(H _와 ) 직교 전류 방향도 조사됩니다. 비록 큰 H _와 적용되면 R의 이동 _홀 -안 _z 루프는 매우 작습니다(추가 파일 1 참조). H 때문일 수 있습니다. _와 점차적으로 키랄 Néel-type DW를 Bloch-type DW로 변환하고 유효 필드 H _그녀 공식 [10, 29, 30]에 따른 Bloch 유형 DW의 경우 거의 0입니다.

여기서, θ _그녀 , 여사 , 그 _F , 제 _x , \( \widehat{m} \) 및 \( \widehat{j} \)는 유효 스핀 홀 각도, FM 층의 포화 자화, FM 층의 두께, x에 따른 전류 밀도를 나타냅니다. 방향, 자화의 단위 벡터 및 전류 밀도의 단위 벡터.

다음으로 DW 속도(v ) DW 운동 거동을 조사하기 위해 Kerr 현미경을 사용하여 면외 자기장 및 면내 전류 펄스를 측정했습니다. 미리 준비된 DW는 반대의 큰 자기장에서 포화된 경마장 후 핵 생성 필드 바로 위의 자기장 펄스를 사용하여 형성되었습니다. H 아래의 속도 _z 펄스는 두 개의 샘플에 대해 그림 1a, b에 표시됩니다. Pt/Co/C/Ta의 경우 v 큰 구동 자기장에서도 Pt/Co/Ta 샘플보다 여전히 작습니다. 이는 C 장식 이후에 훨씬 더 많은 결함이 형성되어 고정 필드가 증가하기 때문일 수 있습니다[23]. 또한 lgv H에 비례합니다. _z ^-1/4 , 크립 법칙에 따른 DW 모션의 크립 영역을 나타냅니다[31]:

평면 외 필드 H의 함수로서의 DW 속도 _z Pt/Co/Ta용(a ) 및 Pt/Co/C/Ta(b ). a의 삽입 그리고 b DW 모양을 표시하기 위해 다른 필드에서 도메인의 스냅샷을 나타냅니다.

여기서 U _C 는 장애 유발 고정 전위와 관련된 특성 에너지, k _나 볼츠만 상수, T 는 온도이고 H _깊이 Zeeman 에너지가 DW 고정 에너지와 동일한 디피닝 필드입니다. 피팅 기울기는 \( \frac{U_c}{k_BT}{H_{dep}}^{1/4}=s \), s의 측정값을 제공합니다. 약 37.4 및 76.5 Oe ^1/4 입니다. Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta에 대해 각각. H 이후로 _깊이 Pt/Co/C/Ta의 경우 Pt/Co/Ta의 경우보다 2배 더 큽니다[23], H의 차이 _깊이 ^1/4 그들 사이는 1.5보다 작습니다. 그러나 의 차이점은 이는 Pt/Co/C/Ta 샘플이 더 큰 고정 전위를 가지고 있음을 나타내며 이는 위의 논의와 일치합니다. 또한, 그림 1a, b의 삽입은 서로 다른 자기장에서 도메인 이미지의 스냅샷을 보여줍니다. DW 모양은 Pt/Co/Ta보다 Pt/Co/C/Ta에서 더 큰 분포를 나타냄을 알 수 있습니다. 또한 Pt/Co/C/Ta에서 피닝 전위가 C 장식으로 인해 무작위로 분포된 피닝 사이트를 유도하기 때문에 상당히 균질하지 않음을 나타냅니다. 반면, 자기장 아래에서 규칙적인 DW 기울기는 이 두 샘플에 대해 관찰되지 않아 이론적인 집합 좌표 모델[20]과 다릅니다.

그 후 CIDWM 거동도 조사하여 자기장 유도 DW 운동과 비교하였다. UD(up-to-down) 또는 DU(down-to-up) 도메인은 포화 상태에서 펄스 자기장에 의해 먼저 핵 생성된 다음 펄스 발생기를 사용하여 펄스 전류를 인가하여 DW 모션을 푸시 펄스 폭은 5~100ns 범위입니다. 그림 2a, b는 자기장이 적용되지 않은 CIDWM 속도를 보여줍니다. 양수 또는 음수 속도는 현재 방향을 따라 또는 반대 방향으로 DW 동작을 의미합니다. 이는 이 두 샘플에 DMI가 존재하는 키랄 Néel DW의 형성을 의미합니다[10, 30]. 더 높은 전류 밀도에서 증가된 속도는 증가된 H 때문입니다. _그녀 키랄 Néel DW에 작용합니다. 그러나 Pt/Co/Ta 구조에 비해 Pt/Co/C/Ta에서 동일한 DW 속도에 도달하려면 두 배 더 큰 전류 밀도가 필요합니다. 이는 C 계면 장식으로 인해 SOT 효율이 감소하고 고정 전위 장벽이 증가했기 때문일 수 있습니다. 또한, 현재 구동에 의한 DW 속도는 약 10 ³ 입니다. 자기장과 동일한 값을 유지하는 전류 발생 유효 자기장으로 자기장 구동에 의한 것보다 몇 배 더 커집니다. 전류에서 생성된 줄 가열 및/또는 외르스테드 장과 같은 다른 메커니즘도 CIDWM에서 중요한 역할을 할 수 있음을 보여줍니다. 그림 2b와 그림 3c에서 전류 밀도가 ± 19.2 MA/cm2 . 한편, Fig. 더 높은 전류 밀도에서 2b 및 3c. 이는 기존의 큰 줄 가열로 인해 열이 큰 전류 밀도에서 임의의 핵 생성 사이트를 활성화하고 고정 전위 장벽 풍경도 재분배될 수 있기 때문에 동작 속도와 기울기 각도에 영향을 미칠 수 있습니다. <그림>

Pt/Co/Ta에 대한 전류 밀도에 대한 DW 속도(a ) 및 Pt/Co/C/Ta(b ). a의 삽입 그리고 b 대표적인 전류 밀도에서 영역 모양의 스냅샷을 나타냅니다.

(아 ) Kerr 이미지는 DW 기울기 각도의 정의를 제공합니다(ψ ) 및 ψ의 변경 Pt/Co/Ta 샘플을 예로 들면 "up"에서 "down" 상태로, "down"에서 "up" 상태로 서로 다른 전류 밀도에서. Pt/Co/Ta에 대한 DW 경사각 대 전류 밀도(b ) 및 Pt/Co/C/Ta(c ). b의 삽입 및 c 다른 전류 밀도에서 도메인 모양의 스냅샷을 나타냅니다.

전류에 의해 유도된 DW 운동 동안 DW 틸팅 현상은 이 두 샘플에서 명확하게 관찰되며 충분한 짧은 펄스를 구동력으로 하는 시간 의존적 관찰에서 틸팅이 점진적으로 형성됩니다. 전류 유도 DW 기울기에 대한 통찰력을 얻기 위해 DW 기울기 각도(ψ ) 다른 전류 밀도에서 그림 3a에 정의되어 있습니다. 또한 경마장을 따라 넓은 디피닝 분포로 인해 모션 중에 기울기 각도가 약간 변경될 수 있으며, 이는 특정 전류 밀도에서 큰 측정 오류를 초래할 수 있습니다. 그림 3b에서 c는 두 샘플의 전류 밀도에 대한 기울기 각도의 대략적인 선형 의존성을 볼 수 있습니다. 이것은 더 낮은 전류 밀도에 대한 기울기 각도와 DW 속도의 대략적인 선형 의존성을 관찰할 수 있는 이전의 이론적 연구[20]와 일치합니다. 그러나 시뮬레이션에서 적어도 1차 더 큰 전류 밀도에서 큰 DW 경사각이 발생합니다. 이것은 우리의 관찰과 일치하지 않으며 우리 실험에서 필드 유도 DW 운동 중에 틸팅 동작도 관찰되지 않습니다. 따라서 DMI 또는 고정 전위 장벽의 차등 분포가 전류 유도 DW 틸팅에 미치는 영향은 약할 수 있습니다. 또한 비정상적인 홀 효과도 DW 틸팅을 유발할 수 있지만 나노미터 두께의 경마장에서는 그 기여도가 작을 것으로 예상됩니다[20]. 한 가지 가능한 설명은 적용된 전류가 스핀 홀 유효 필드 H를 생성할 뿐만 아니라 _그녀 , 뿐만 아니라 Oersted 필드(H _{외르스테드} ) 또한 DW 모션으로 이어질 수 있습니다. 둘 다 H _그녀 그리고 H _{외르스테드} DW 틸팅에 영향을 줄 수 있습니다. 그림 4에서 DW 틸팅 동작을 명확히 하기 위해 이러한 유효 필드의 스케치를 플로팅합니다. 도메인 배열은 U-D-U-D 스케치로 표시되고, 왼쪽 키랄성을 갖는 DW의 자화는 평면 내 방향을 따라 가는 검은색 화살표로 표시됩니다. 얇고 균일한 경마장에서 두께(t ) 너비(w)보다 훨씬 작습니다. ), 생성된 H _{외르스테드} 두 모서리에 집중되어 있고 두께에 대한 평균 구성요소는 H로 계산할 수 있습니다. _{외르스테드} = ±j [3 + 2lnw /그 ]/4π [22]. 얻은 H _{외르스테드} 10.0 및 19.2 MA/cm의 최대 전류 밀도를 사용하여 Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta에 대해 약 19.6 및 37.4 Oe입니다. ² , 각각 스핀 홀 유효 필드 H와 비슷합니다. _그녀 (동일한 전류 밀도에서 Pt/Co/Ta 및 Pt/Co/C/Ta에 대해 약 100.0 및 159.4 Oe). H 이후로 _그녀 그리고 H _{외르스테드} 녹색 별으로 표시된 위치에서 동일한 방향을 가지면 녹색 별 영역의 DW에 더 큰 유효 필드가 작용하므로 경마장에서 녹색 별의 반대쪽 영역에 비해 속도가 훨씬 더 빨라집니다. 따라서 그림 4의 왼쪽 하단 패널과 같이 특정 사다리꼴 모양의 틸팅 DW가 형성될 수 있습니다. Pt/Co/Ta에 대한 그림 3b의 삽입도 일부 대표적인 전류 밀도에서 유사한 모양을 분명히 보여줍니다. 더욱이, 더 높은 전류 밀도에서 증가된 경사각은 증가된 H _{외르스테드} . 한편, 위의 분석에 따라 도메인 배열 및/또는 전류 극성이 변경되면 도메인 모양이 변형됨을 알 수 있습니다. 현재 펄스에서 스케치된 모든 도메인 모양은 실험적 관찰과 일치합니다. 또한 DW 틸팅에 대한 위의 설명은 평면 내 H _x 또는 H _와 은 적용되다. H일 때 _x 적용되면 DW에서 자화 방향이 변경됩니다. 따라서 H _그녀 H와 반대되는 원래의 수평 자화로 DW의 부호를 변경합니다. _x , 사다리꼴 모양의 영역을 확장하거나 축소합니다(H 기호에 따라). _x ) 그림 4의 오른쪽 가운데 패널과 같이 H일 때 _와 적용되면 강한 H _와 Néel-type DW를 Bloch로 변경합니다. 안 _그녀 식에 따라 0이 됩니다. (1), 현재 생성된 외르스테드 필드 H만 _{외르스테드} DW 모션을 구동합니다. 이렇게 하면 도메인이 한쪽 가장자리에서 확장됩니다. 또한 edge에서 도메인의 변화가 H와 같이 일어나는 것을 볼 수 있습니다. _와 그림 4의 우측하단과 같이 약 - 1400 Oe이다. 이는 H _{외르스테드} 유일한 추진력이 DW 모션을 담당하기 때문입니다. 그러나 일반적인 DW 틸팅 동작으로 이어지지는 않습니다. 따라서 전류 유도 DW 틸팅은 전류 유도 외르스테드 장과 스핀 홀 유효 장에 기인할 수 있습니다.

전류 밀도 J에서의 도식적 DW 모션 및 도메인 모양 . 왼쪽 상단 패널은 U-D-U-D 스케치가 있는 도메인과 도메인 및 DW의 자화 방향(가는 검은색 화살표)을 보여줍니다. 전류가 인가되면 생성된 H _그녀 DW에 작용하는 것은 빨간색 두꺼운 화살표로 표시되고 Oersted 필드(H _{외르스테드} ) 경마장 양쪽에 파란색 대시 화살표로 표시됩니다. 왼쪽 하단 패널은 H의 동작에 따라 도메인 모양의 해당 변경(두꺼운 검은색 대시 블록으로 표시됨)을 보여줍니다. _그녀 그리고 H _{외르스테드} . 오른쪽 패널은 Pt/Co/Ta의 도메인 모양에 대한 면내 자기장의 영향을 보여줍니다.