수직 자화 Pt/Co/Ta 레이스트랙에서 스핀-궤도 토크 구동 도메인 월 동역학 및 틸팅 현상

요약

탄소 중간층 삽입이 드잘로신스키-모리야 상호작용(DMI), 전류 유도 도메인 월(DW) 속도, 틸팅에 미치는 영향을 Pt/Co/Ta 레이스트랙에서 조사했습니다. 매그네토-광학 커 현미경 결과 DMI 강도는 Pt/Co 계면이 지배하며, Pt/Co/Ta와 Pt/Co/C/Ta 적층에서 유사했습니다. Pt/Co/Ta에서 DW는 몇 MA cm⁻² 전류 밀도에서 수십 m/s 속도에 도달했으나, Pt/Co/C/Ta에서는 비슷한 속도를 내기 위해 약 2배의 전류가 필요해 스핀-궤도 토크(SOT) 효율과 핀닝 장벽의 영향을 보여주었습니다. 자기장 유도 DW 운동(FIDWM)과 비교 시 동일한 유효 자기장에서 전류 구동 DW 속도가 ~10³배 더 빨라 줄 가열의 상당한 기여를 시사했습니다. 또한 전류 구동에서만 나타나는 뚜렷한 DW 틸팅을 관찰했는데, 이는 FIDWM에서는 없으며 외르스테드 장의 역할을 강조합니다. 이러한 결과는 효율적인 SOT 기반 레이스트랙 메모리 설계에 통찰을 제공합니다.

배경

전류 유도 자기 도메인 월 운동(CIDWM)은 차세대 레이스트랙 메모리 소자의 핵심 메커니즘입니다. 초기 연구는 평면 이방성을 가진 강자성체(FM)에서 스핀 전달 토크(STT)가 DW를 구동하는 데 집중했습니다. 이후 수직 자기 이방성(PMA) 시스템에서도 CIDWM이 입증되었으나, DW 전파 방향이 때때로 STT 예측과 모순되었습니다. 중금속(HM)/FM 이중층에서 스핀 홀 효과(SHE) 및/또는 라슈바 효과로 생성된 스핀-궤도 토크(SOT)와 계면 DMI가 카이랄 DW를 생성하여 전류 방향으로 이동시킵니다. CIDWM 효율을 높이려면 큰 스핀 홀 각도(θSH)를 가진 HM 층과 계면 특성의 정밀한 엔지니어링이 필요합니다. 두께 조절, 계면 장식, 결정성 제어, 산소 혼입 등 다양한 전략으로 θSH와 유효 SOT 효율을 극대화해 왔습니다. 서로 반대 부호의 θSH를 기여하는 두 HM 층을 가진 HM/FM/HM 삼중층은 순 토크를 더욱 증대시킬 수 있습니다. 이러한 구조에서 DMI 강도도 변형되어 DW 속도와 틸팅 거동에 영향을 미칩니다. 최근 모델은 DMI와 핀닝 지형이 전류 하에서 DW 틸팅 정도를 결정한다고 예측합니다.

이전 연구에서 Pt/Co/Ta 적층의 Co와 Ta 사이에 얇은 탄소(C) 층을 삽입하여 이방성, 스위칭 필드, SOT 유효 필드 변화를 관찰했습니다. 여기서는 전류 구동 DW 운동과 틸팅으로 연구를 확장하여, 미크론 크기 Pt/Co/Ta 레이스트랙에서 C 삽입이 DMI, 핀닝 포텐셜, SOT 효율에 미치는 영향을 정량화했습니다.

방법

두 박막 적층(Ta(3nm)/Pt(5nm)/Co(0.6nm)/Ta(5nm) 및 Ta(3nm)/Pt(5nm)/Co(0.6nm)/C(2nm)/Ta(5nm))을 코닝 유리 기판 상에 DC 마그네트론 스퍼터링(기저 압력 < 4.0×10⁻⁵ Pa)으로 실온에서 증착했습니다. 하부 Ta는 시드 층, 상부 Ta는 공기 노출 후 ~1.5nm TaOx 캡을 형성합니다. 표준 리소그래피와 Ar-이온 밀링으로 8.5µm 및 3.0µm 폭의 레이스트랙으로 패터닝했습니다. 동일한 폭의 홀 바를 제작하여 전류 방향을 따라 평면 바이어스 필드(Hx) 하에서 수직 필드(Hz) 의존적 홀 저항(RHall)을 측정했습니다. RHall-Hz 루프의 이동(HSHE)을 추출하여 SOT 효율 χ = HSHE/J를 정량화했습니다. 편광 커 현미경으로 인가 필드 또는 전류 펄스 하에서 실온 DW 운동을 모니터링했습니다.

결과 및 논의

카이랄 네엘 DW 모델을 사용하여 이방성 홀 측정으로부터 DMI와 SOT 파라미터를 먼저 결정했습니다. Pt/Co/Ta와 Pt/Co/C/Ta의 유효 DMI 필드(HDMI)는 각각 ~1370 Oe와 ~1055 Oe였으며, 포화 SOT 효율 χsat는 각각 10.0 Oe/(10⁶ A cm⁻²)와 8.3 Oe/(10⁶ A cm⁻²)였습니다. C 장식 적층에서 χsat가 약간 감소한 것은 계면 스핀-플립 산란 증가 때문으로 보입니다. 계산된 DMI 교환 상수 |D|는 Pt/Co/Ta 1.01±0.16 mJ m⁻², Pt/Co/C/Ta 1.15±0.14 mJ m⁻²로, 두 적층 모두에서 Pt/Co 계면이 DMI를 지배함을 나타냅니다. HDMI/HK < 2/π이므로 네엘 DW 특성이 안정적이며, CIDWM 실험으로 확인되었습니다.

수직 자기 펄스 하에서 필드 구동 DW 속도를 측정했습니다. 두 적층 모두 크립 의존성 v ∝ exp[-(Uc/kBT)(Hdep/H)¹ᐟ⁴]을 보였습니다. 디핀 필드 Hdep는 C 장식 적층에서 Pt/Co/Ta의 약 2배였고, 기울기 매개변수 s도 더 컸습니다(37.4 Oe¹ᐟ⁴ vs 76.5 Oe¹ᐟ⁴), 더 높은 핀닝 포텐셜을 확인했습니다. 도메인 이미지에서 Pt/Co/C/Ta의 DW 형태가 더 불규칙해 비균일 핀닝 지형과 일치했습니다.

전류 구동 DW 운동을 연구했습니다. DW 속도는 전류 밀도에 따라 증가했으나, Pt/Co/C/Ta에서 같은 속도를 내기 위해 약 2배 전류 밀도가 필요해 SOT 효율 저하와 핀닝 증가를 반영했습니다. 놀랍게도 CIDWM 속도는 동등한 자기장 구동 속도보다 ~10³배 더 빨라 줄 가열과 외르스테드 장의 영향을 강조했습니다. 높은 전류(±19.2 MA cm⁻²)에서는 속도 감소, 핵생성 사이트 증가, DW 틸팅 변화가 나타나 열 활성화 과정과 재구성된 핀닝 지형을 시사했습니다.

DW 틸팅은 전류 구동에서만 나타났습니다. 틸팅 각도 ψ는 두 적층 모두에서 전류 밀도에 거의 선형적으로 증가해 최근 이론 예측과 일치했습니다. 필드 구동 실험에서는 틸팅이 없어 전류가 생성하는 외르스테드 장이 중요한 역할을 함을 시사합니다. 계산된 외르스테드 장(최대 전류에서 Pt/Co/Ta ~19.6 Oe, Pt/Co/C/Ta ~37.4 Oe)은 HSHE와 비슷하며, 레이스트랙 특정 위치에서 두 필드가 같은 방향으로 작용해 DW가 비균일 유효 필드를 경험하여 관찰된 사다리꼴 도메인 형태를 만듭니다. 평면 바이어스 필드(Hx, Hy)는 DW 카이랄리티와 HSHE 및 HOersted의 상대적 강도를 변경하여 틸팅과 도메인 확장에 추가 영향을 미칩니다.

결론

Pt/Co/Ta와 Pt/Co/C/Ta 레이스트랙에서 DW 운동과 틸팅이 SOT 효율, 핀닝 포텐셜, 줄 가열, 외르스테드 장에 크게 영향을 받음을 입증했습니다. DMI 강도(~1 mJ m⁻²)는 Pt/Co 계면이 지배하며, C 삽입은 SOT 효율을 약간 낮추고 핀닝을 증가시킵니다. 전류 구동 DW 속도는 몇 MA cm⁻²에서 수십 m/s에 도달하지만, 상당한 외르스테드 장이 도메인 형태를 왜곡할 수 있어 실용적 레이스트랙 메모리 설계에 제한이 될 수 있습니다. 이러한 통찰은 최적화된 DW 동역학을 가진 SOT 기반 레이스트랙 엔지니어링을 안내합니다.

약어

CIDWM

전류 유도 도메인 월 운동

DMI

드잘로신스키-모리야 상호작용

D-U

다운-투-업

DW

도메인 월

FIDWM

필드 유도 도메인 월 운동

FMs

강자성체

HM

중금속

PMA

수직 자기 이방성

SOT

스핀-궤도 토크

STT

스핀 전달 토크

U-D

업-투-다운