Spin-Orbit-Drehmoment-getriebene Domänenwand-Dynamik und -Kippung in senkrecht magnetisierten Pt/Co/Ta-Rennstrecken

Zusammenfassung

Wir untersuchen, wie die Einfügung einer Kohlenstoff-Zwischenschicht die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI), strominduzierte Domänenwand (DW)-Geschwindigkeit und -Kippung in Pt/Co/Ta-Rennstrecken beeinflusst. Magneto-optische Kerr-Mikroskopie zeigt, dass die DMI-Stärke von der Pt/Co-Grenzfläche dominiert wird und für Pt/Co/Ta- und Pt/Co/C/Ta-Stapel ähnlich bleibt. In Pt/Co/Ta erreichen DWs Geschwindigkeiten von zehn m/s bei wenigen MA cm⁻² Stromdichten, während Pt/Co/C/Ta etwa die doppelte Stromdichte für vergleichbare Geschwindigkeiten benötigt, was den Einfluss von Spin-Orbit-Drehmoment (SOT)-Effizienz und Pinning-Barrieren verdeutlicht. Im Vergleich zu feldinduzierter DW-Bewegung (FIDWM) ist die DW-Geschwindigkeit unter identischen effektiven Feldern in stromgetriebenen Experimenten ~10³ mal größer, was einen signifikanten Beitrag von Joule-Erwärmung anzeigt. Darüber hinaus beobachten wir eine ausgeprägte strominduzierte DW-Kippung, die in FIDWM fehlt, was die Rolle des Oersted-Feldes unterstreicht. Diese Ergebnisse liefern Design-Einblicke für effiziente SOT-basierte Rennstrecken-Speicher.

Hintergrund

Strominduzierte magnetische Domänenwand-Bewegung (CIDWM) ist ein Schlüsselmechanismus für nächste-Generation Rennstrecken-Speicherbauelemente. Frühe Studien fokussierten auf Ferromagnete (FMs) mit in-plane Anisotropie, wo Spin-Transfer-Drehmoment (STT) DWs antrieb. Später wurde CIDWM in senkrecht magnetischer Anisotropie (PMA) Systemen demonstriert, doch die Richtung der DW-Ausbreitung widersprach manchmal STT-Vorhersagen. In Schwermetall (HM)/FM-Doppelschichten erzeugen Spin-Orbit-Drehmomente (SOTs), generiert durch den Spin-Hall-Effekt (SHE) und/oder Rashba-Effekt, zusammen mit interfacialer DMI, chirale DWs, die sich in Stromrichtung bewegen. Die Steigerung der CIDWM-Effizienz erfordert daher HM-Schichten mit großen Spin-Hall-Winkeln (θ_SH) und sorgfältiges Engineering interfacialer Eigenschaften. Verschiedene Strategien – Dickenabstimmung, Grenzflächendekoration, Kristallinitätskontrolle und Sauerstoffeinbau – wurden eingesetzt, um θ_SH und die effektive SOT-Effizienz zu maximieren. HM/FM/HM-Dreischichten, wo zwei HM-Schichten entgegengesetzte θ_SH-Vorzeichen beitragen, können das Nettodrehmoment weiter steigern. Die DMI-Stärke in solchen Strukturen wird ebenfalls modifiziert, was DW-Geschwindigkeit und -Kippverhalten beeinflusst. Jüngste Modelle sagen voraus, dass DMI und Pinning-Landschaften das Ausmaß der DW-Kippung unter Strom bestimmen.

In vorangegangener Arbeit untersuchten wir den Effekt der Einfügung einer dünnen Kohlenstoff (C) Schicht zwischen Co und Ta in Pt/Co/Ta-Stapeln und beobachteten Änderungen in Anisotropie, Schaltfeldern und SOT-effektiven Feldern. Hier erweitern wir diese Studie zur Analyse stromgetriebener DW-Bewegung und -Kippung, quantifizierend wie C-Einbindung DMI, Pinning-Potenzial und SOT-Effizienz in mikrogroßen Pt/Co/Ta-Rennstrecken beeinflusst.

Methoden

Zwei Filmschichten – Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/Ta(5 nm) und Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/C(2 nm)/Ta(5 nm) – wurden auf Corning-Glas bei Raumtemperatur durch DC-Magnetronsputtern (Basisdruck < 4,0 × 10⁻⁵ Pa) abgeschieden. Die untere Ta dient als Saatschicht, während die obere Ta nach Luftexposition eine ~1,5 nm TaO_x-Kappe bildet. Die Filme wurden in 8,5 µm und 3,0 µm breite Rennstrecken strukturiert, jeweils mittels Standardlithographie und Ar-Ionen-Ätzen. Hall-Leisten gleicher Breite wurden gefertigt, um das außerplanare Feld (H_z)-abhängige anomale Hall-Widerstand (R_Hall) unter verschiedenen in-plane Vorspannfeldern (H_x) entlang der Stromrichtung zu messen. Durch Extraktion der Verschiebung der R_Hall-H_z Schleifen (H_SHE) quantifizierten wir die SOT-Effizienz χ = H_SHE/J. Ein Polares Kerr-Mikroskop überwachte DW-Bewegung unter angewendeten Feldern oder Strompulsen bei Raumtemperatur.

Ergebnisse und Diskussion

Mit dem chiralen Néel-DW-Modell bestimmten wir zunächst DMI- und SOT-Parameter aus anomalen Hall-Messungen. Die effektiven DMI-Felder (H_DMI) für Pt/Co/Ta und Pt/Co/C/Ta betrugen ~1370 Oe bzw. ~1055 Oe, während die gesättigten SOT-Effizienzen χ^sat 10,0 Oe/(10⁶ A cm⁻²) und 8,3 Oe/(10⁶ A cm⁻²) betrugen. Die leichte Reduktion von χ^sat für den C-dekorierten Stapel spiegelt wahrscheinlich erhöhte interfaciale Spin-Flip-Streuung wider. Berechnete DMI-Austauschkonstanten |D| waren 1,01 ± 0,16 mJ m⁻² (Pt/Co/Ta) und 1,15 ± 0,14 mJ m⁻² (Pt/Co/C/Ta), was zeigt, dass die Pt/Co-Grenzfläche die DMI in beiden Stapeln dominiert. Da H_DMI/H_K < 2/π, ist der Néel-Charakter der DWs stabil, wie durch CIDWM-Experimente bestätigt.

Feldgetriebene DW-Geschwindigkeiten wurden unter außerplanaren Magnetpulsen gemessen. Beide Stapel zeigten eine kriechähnliche Abhängigkeit v ∝ exp[−(U_c/k_BT)(H_dep/H)^1/4]. Das Entpinnungsfeld H_dep war im C-dekorierten Stapel etwa doppelt so hoch wie in Pt/Co/Ta, und der Steigungsparameter s war größer (37,4 Oe^1/4 vs. 76,5 Oe^1/4), was ein höheres Pinning-Potenzial bestätigt. Domänenbilder zeigten unregelmäßigere DW-Formen in Pt/Co/C/Ta, konsistent mit einer nicht-uniformen Pinning-Landschaft.

Stromgetriebene DW-Bewegung wurde dann untersucht. DW-Geschwindigkeiten stiegen mit Stromdichte, aber das Erreichen derselben Geschwindigkeit in Pt/Co/C/Ta erforderte etwa die doppelte Stromdichte, was reduzierte SOT-Effizienz und verstärktes Pinning widerspiegelt. Bemerkenswert war, dass die CIDWM-Geschwindigkeit ~10³ mal größer war als die durch ein äquivalentes Magnetfeld getriebene, was die Auswirkung von Joule-Erwärmung und möglicherweise dem Oersted-Feld unterstreicht. Bei hohen Strömen (± 19,2 MA cm⁻²) beobachteten wir reduzierte Geschwindigkeiten, erhöhte Nukleationsorte und veränderte DW-Kippung, was thermisch aktivierte Prozesse und eine umgeformte Pinning-Landschaft andeutet.

DW-Kippung trat nur unter Stromantrieb auf. Der Kippwinkel ψ wuchs etwa linear mit Stromdichte für beide Stapel, in Übereinstimmung mit jüngsten theoretischen Vorhersagen. Feldgetriebene Experimente zeigten keine Kippung, was impliziert, dass das Oersted-Feld – erzeugt durch den Strom – eine entscheidende Rolle spielt. Berechnete Oersted-Felder (~19,6 Oe für Pt/Co/Ta und ~37,4 Oe für Pt/Co/C/Ta bei maximalem Strom) sind vergleichbar mit H_SHE, und da beide Felder an bestimmten Positionen entlang der Rennstrecke in gleicher Richtung wirken, erfährt die DW ein nicht-uniformes effektives Feld, was die beobachteten trapezförmigen Domänenformen erzeugt. In-plane Vorspannfelder (H_x, H_y) modifizieren die DW-Chiralität und die relative Stärke von H_SHE und H_Oersted, was Kippung und Domänenausdehnung weiter beeinflusst.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrieren, dass sowohl DW-Bewegung als auch -Kippung stark von SOT-Effizienz, Pinning-Potenzial, Joule-Erwärmung und Oersted-Feld in Pt/Co/Ta- und Pt/Co/C/Ta-Rennstrecken beeinflusst werden. Die DMI-Stärke (~1 mJ m⁻²) wird von der Pt/Co-Grenzfläche dominiert, während C-Einbindung die SOT-Effizienz moderat reduziert und Pinning erhöht. Stromgetriebene DW-Geschwindigkeiten erreichen zehn m/s bei wenigen MA cm⁻², aber die Anwesenheit eines beträchtlichen Oersted-Feldes kann Domänenformen verzerren, was praktische Rennstrecken-Speicherdesigns limitieren könnte. Diese Erkenntnisse leiten das Engineering von SOT-basierten Rennstrecken mit optimierter DW-Dynamik.

Abkürzungen

CIDWM:

Strominduzierte Domänenwand-Bewegung

DMI:

Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung

D-U:

Down-to-up

DW:

Domänenwand

FIDWM:

Feldinduzierte Domänenwand-Bewegung

FMs:

Ferromagnete

HM:

Schwermetall

PMA:

Senkrechte magnetische Anisotropie

SOT:

Spin-Orbit-Drehmoment

STT:

Spin-Transfer-Drehmoment

U-D:

Up-to-down