Układy cienkowarstwowe o prostopadłej anizotropii magnetycznej sterowalnej

polem elektrycznym

A. Kozioł-Rachwał

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

seminarium WFiIS AGH

28.04.2017

Plan seminarium

prostopadła anizotropia magnetyczna (PMA)

w układach cienkowarstwowych

efekt wpływu pola elektrycznego na PMA (VCMA)

PMA oraz VCMA w układzie MgO/Fe/Cr

jak zwiększyd PMA oraz VCMA w układzie MgO/Fe/Cr poprzez inżynierię interfejsową?

Prostopadła anizotropia magnetyczna (PMA)

E= - Keff cos2θ

E= - (Kv + Ks / t) cos2θ

Ks ~ 0.5 mJ/m2

Mn

θ

30nm

Wpływ pola elektrycznego na PMA w cienkiej warstwie ferromagnetyka

M. Weisheit, S. Fähler, A. Marty, Y. Souche, C. Poinsignon, D. Givord, Science 315 (2007)

Duża PMA oraz silny efekt VCMA niezbędne do realizacji pamięci magnetycznej nowej generacji

0 10 20 30 40 50

100

1000

10000

= 80

0 = 60

= 40

= 30

VC

MA

coeff

icie

nt

(fJ/V

m)

MTJ diameter, d (nm)

ESW

=1V/nm, tfree

=1 nm

0.1

1

10

KP

MA

,eff*t

free(m

J/m

2)

Cache memory

Main memory memory

Storage class

T. Nozaki et al., to be published T. Nozaki et al., imPACT symposium, 2015

PMA w układzie MgO/Fe/Cr

PMA @ RT subnanometrowych warstw Fe w układzie MgO/Fe/Cr oraz MgO/Fe/V1,2

pochodzenie PMA: anizotropia powierzchniowa (~1mJ/m2)

1Lambert et al. Appl. Phys. Lett. 102, 122410 (2013), 2Koo et al. Appl. Phys. Lett. 103, 192401 (2013)

MgO(001)

Cr/V

klin Fe

MgO

Wpływ buforowej warstwy MgO na PMA w układzie MgO/Fe/Cr/bufor MgO/MgO(001)

- PMA subnanometrowych warstw Fe w układzie MgO/Fe/Cr/buforMgO(3nm)/MgO(001)

- anizotropia powierzchniowa Ks ~ 2.1mJ/m2

T. Nozaki, AKR, W. Skowrooski, V. Zayets, Y. Shiota, S. Tamaru, H. Kubota, A. Fukushima, S. Yuasa, and Y. Suzuki, Phys. Rev. Applied 5, 044006 (2016).

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Kef

f tF

e (m

J/m

2)

Fe thickness, tFe

' (nm)

Czy MA w układzie MgO/Fe/Cr/buforMgO/MgO(001) może byd kontrolowana poprzez zmianę grubości bufora MgO?

MgO/Fe(t)/Cr/bufor MgO(d)/MgO(001)

- podłoże MgO(001) (wygrzano @ 800°C)

- klinowa warstwa MgO @ 200°C, 0 < d < 4nm(15nm)

- 30 nm Cr @ 200°C (wygrzano @ 800°C/20min.)

- Fe @ 200°C (0.4 – 1.1)nm (wygrzano@ 260°C)

- 3nm MgO @ 60°C (wygrzano@ 350°C/20minutes)

- 20nm ITO @ RT

Cr Fe(0.7nm)

RHEED AES

200 300 400 500 600 700

Cr

Cr

CrA

ES

in

ten

sit

y [

a.u

.]

Kinetic energy [eV]

0 nm

2 nm

5 nm

15 nm

C

0 5 10 150.00

0.05

0.10

0.15

0.20

C/C

r ra

tio

MgO thickness [nm]

0nm

3nm

15nm

grubośd MgO

MgO/Fe(t)/Cr/bufor MgO(d)/MgO(001)

-2 -1 0 1 2

-40

-20

0

20

40

H [kOe]

Kerr

ro

tati

on

[

rad

]

-3 -2 -1 0 1 2 3

-60

-30

0

30

60

Kerr

ro

tati

on

[

rad

]

H [kOe]

0nm

1nm

2nm

3nm

4nm

grubośd Fe t = 0.4nm grubośd Fe t = 0.6nm

Hc vs d(grubośd Fe:t=0.5nm, 0.6nm, 0.7nm)

grubośd MgO d

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0.5

1.0

1.5

coerc

ivit

y [

kO

e]

MgO thickness [nm]

0.5 nm

0.6 nm

0.7 nm

MgO/Fe(t)/Cr/bufor MgO(d)/MgO(001) – pomiary PMOKE

-9 -6 -3 0 3 6 9

-80

-40

0

40

80

Kerr

ro

tati

on

[

rad

]

H [kOe]

LMOKE

1nm

2nm

4nm-0.5 0.0 0.5

-80

0

80K

err

ro

tati

on

[

rad]

H[kOe]

Zależnośd MA od grubości bufora MgO(d)

grubośd Fe t=1.0nm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Keff *

10

5 [

J/m

3]

MgO thickness [nm]

Fe 0.9 nm

Fe 1.0 nm

Keff vs grubośd MgO (d) (t=0.9nm, 1.0nm)

zmiana Keff nie jestzwiązana ze zmianą anizotropii kształtu

grubośd MgO (d)

AKR, T. Nozaki, V. Zayets, H. Kubota, A. Fukushima, S. Yuasa and Y. Suzuki, J. Appl. Phys. J. 120, 085303 (2016).

Pytania:1. co jest źródłem MEA w układzie?

2. dlaczego MEA zmienia się z grubością bufora MgO?

Pochodzenie MEA w układzie MgO/Fe/Cr

- silna zależnośd MEA vs. stała sieci dla FeCo (K. H. He and J. S. Chen, JAP 111, 07C109 (2012))- dla d=3nm przyczynek objętościowy do Keff ~ Kv=-2*106J/m3

- zmiana stałej sieci Fe może byd spowodowane mieszaniem Fe i Cr

Dlaczego Keff zmienia się z grubością d ?

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Keff *

10

5 [

J/m

3]

MgO thickness [nm]

Fe 0.9 nm

Fe 1.0 nm

- wzrost ujemnego przyczynku do Keff

wraz ze wzrostem grubości MgO

- zmiana naprężeo w warstwie Fe

MA w układzie MgO/Fe(0.4nm – 1.0nm)/Cr/MgO(d)/MgO(001) zależy od grubości bufora MgO

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0.5

1.0

1.5

coerc

ivit

y [

kO

e]

MgO thickness [nm]

0.5 nm

0.6 nm

0.7 nm

dla t < 0.8 nm niemonotoniczna zależnośd Hc(d)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Keff *

10

5 [

J/m

3]

MgO thickness [nm]

Fe 0.9 nm

Fe 1.0 nm

dla 0.8nm ≤ t ≤1.0nm zmiana kierunkunamagnesowania (SRT) w funkcji grubości MgO

Wpływ pola elektrycznego na MA w układzie Cr/Fe/MgO

Wpływ pola elektrycznego na MA w układzie Cr/Fe/MgO

G(θ)=G90 + (GP – G90) cosθ

Wpływ pola elektrycznego na MA w układzie Cr/Fe/MgO

T. Nozaki, AKR, W. Skowrooski, V. Zayets, Y. Shiota, S. Tamaru, H. Kubota, A. Fukushima, S. Yuasa, and Y. Suzuki, Phys. Rev. Applied 5, 044006 (2016).

tFe=5.3Å

VCMA ~ 290 fJ/Vm

tFe=7.8Å

VCMA ~ 80 fJ/Vm

Ks ~ 2.1 mJ/m2

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Kef

f tF

e (m

J/m

2)

Fe thickness, tFe

' (nm)

Silny efekt VCMA zaobserwowano dla tFe < 6Å !

Cr/57Fe(6Å)/MgO – spektroskopia Mössbauera

widmo Cr/57Fe(6Å)/MgO przed i po wygrzaniu

Po wygrzaniu: „wyostrzenie” interfejsów segregacja Cr SRT

AKR, T. Nozaki, K. Friendl, J. Korecki, S. Yuasa and Y. Suzuki, http://arxiv.org/abs/1701.00048

Jak obecnośd Cr wpływa w interfejsie Fe/MgO wpływa na PMA oraz VCMA?

Zależnośd Keff od grubości Cr

grubośd Fe t=5.1Å grubośd Fe t=6.6Å

-15 -10 -5 00.00

0.25

0.50

0.75

1.00

-15 -10 -5 0

Cr thickness d [Å]

No

rmal

ized

co

nd

uct

ance

[a.

u.]

H [kOe]

0

0.44

0.56

1.07

a b

H [kOe]

0

0.16

0.28

0.41

0.66

Cr thickness d [Å]

PMA w układzie Cr/Fe/MgO może byd wzmocniona poprzez naniesienie cienkiej warstwy Cr pomiędzy Fe i MgO!

Zależnośd Keff od grubości Cr d

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

4.91

5.11

5.26

5.41

5.61

5.91

6.11

6.61

Kef

f [

J/m

3]

Cr thickness [Å]

Fe thickness t [Å]

PMA w układzie Cr/Fe/MgO może byd wzmocniona poprzez naniesienie cienkiej warstwy Cr pomiędzy Fe i MgO!

Zależnośd efektu VCMA od grubości Cr

-300 -200 -100 0 100 200 3000.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

-300 -200 -100 0 100 200 300

0.28

0.32

0.36

0.40

0.44

0.48

0.52

0.56

0.60

-300 -200 -100 0 100 200 300

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75t = 5.9 Åt = 5.4 Å

d [Å]

0

0.44

0.69

199 fJ/Vm

257 fJ/Vm

Keff t

[m

J/m

2]

E [mV/nm]

302 fJ/Vm

a

t = 5.1 Å

b

d [Å]

0

0.41

0.66

0.79

E [mV/nm]

c

d [Å]

0

0.28

0.54

0.66

E [mV/nm]

wzmocnienie VCMA dla optymalnej grubości Cr!

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

200

250

300

350

400

Fe thickness [Å]

5.11

5.41

5.61

5.91

6.11

VC

MA

coef

fici

ent

[fJ/

Vm

]

Cr thickness [Å]

Zależnośd efektu VCMA od grubości Cr

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.20.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

5.11 Å

5.41 Å

5.61 Å

5.91 Å

6.11 Å

Cr thickness d [Å]

Kef

f [M

J/m

3]

Fe thickness t [Å]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

VC

MA

[fJ

/Vm

]

Zależnośd PMA oraz VCMA od grubości Cr

AKR, T. Nozaki, K. Freindl, J. Korecki, S. Yuasa and Y. Suzuki, http://arxiv.org/abs/1701.00048

wzmocnienie PMA oraz VCMA dla optymalnej grubości Cr!

Wzmocnienie PMA oraz VCMA – przyczyna?

A. Hallal et al. PRB 90, 064422(2016) J. Zhang et al. arXiv:1612.02724v1 P. V. Ong et al. PRB 92, 020407(R) (2015)

Podsumowanie

Podziękowania

AIST (Tsukuba)Spintronics Research Center T. Nozaki V. Zayets Y. Shiota S. Tamaru H. Kubota A. Fukushima Y. Suzuki S. Yuasa

AGH & IKiFP PANW. Skowrooski K. Freindl J. Korecki

This work was supported by ImPACT Program of Council for Science