Układy cienkowarstwowe o prostopadłej anizotropii magnetycznej sterowalnej polem elektrycznym

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Układy cienkowarstwowe o prostopadłej anizotropii magnetycznej sterowalnej polem elektrycznym"

Barbara Matuszewska
5 lat temu
Przeglądów:

1 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

2 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?

3 Prostopadła anizotropia magnetyczna (PMA) E= - K eff cos 2 θ n θ M E= - (K v + K s / t) cos 2 θ K s ~ 0.5 mj/m 2 30nm

4 Wpływ pola elektrycznego na PMA w cienkiej warstwie ferromagnetyka M. Weisheit, S. Fähler, A. Marty, Y. Souche, C. Poinsignon, D. Givord, Science 315 (2007)

5 VCMA coefficient (fj/vm) K PMA,eff *t free (mj/m 2 ) Duża PMA oraz silny efekt VCMA niezbędne do realizacji pamięci magnetycznej nowej generacji E SW =1V/nm, t free =1 nm 10 Storage class Main memory memory Cache memory = 80 0 = = 40 = MTJ diameter, d (nm) T. Nozaki et al., to be published T. Nozaki et al., impact symposium, 2015

6 PMA w układzie MgO/Fe/Cr RT subnanometrowych warstw Fe w układzie MgO/Fe/Cr oraz MgO/Fe/V 1,2 pochodzenie PMA: anizotropia powierzchniowa (~1mJ/m 2 ) MgO klin Fe Cr/V MgO(001) 1 Lambert et al. Appl. Phys. Lett. 102, (2013), 2 Koo et al. Appl. Phys. Lett. 103, (2013)

7 K eff t Fe (mj/m 2 ) 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 K s ~ 2.1mJ/m Czy MA w układzie MgO/Fe/Cr/buforMgO/MgO(001) może byd kontrolowana poprzez zmianę grubości bufora MgO? Fe thickness, t Fe ' (nm) T. Nozaki, AKR, W. Skowrooski, V. Zayets, Y. Shiota, S. Tamaru, H. Kubota, A. Fukushima, S. Yuasa, and Y. Suzuki, Phys. Rev. Applied 5, (2016).

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 @

8 MgO/Fe(t)/Cr/bufor MgO(d)/MgO(001) - podłoże MgO(001) 800 C) - klinowa warstwa 200 C, 0 < d < 4nm(15nm) - 30 nm 200 C 800 C/20min.) C ( )nm (wygrzano@ 260 C) - 3nm 60 C (wygrzano@ 350 C/20minutes) - 20nm RT

AES intensity [a.u.] C/Cr ratio MgO/Fe(t)/Cr/bufor MgO(d)/MgO(001) RHEED AES grubośd MgO Cr Fe(0.7nm) 0.20 0nm 0.

9 AES intensity [a.u.] C/Cr ratio MgO/Fe(t)/Cr/bufor MgO(d)/MgO(001) RHEED AES grubośd MgO Cr Fe(0.7nm) nm 0.15 C 3nm 15nm 0 nm 2 nm 5 nm 15 nm Cr Cr Cr Kinetic energy [ev] MgO thickness [nm]

10 Kerr rotation [ rad] coercivity [koe] MgO/Fe(t)/Cr/bufor MgO(d)/MgO(001) pomiary PMOKE grubośd MgO d 0nm 1nm 2nm 3nm 4nm grubośd Fe t = 0.4nm H [koe] Kerr rotation [ rad] grubośd Fe t = 0.6nm H [koe] H c vs d (grubośd Fe: t=0.5nm, 0.6nm, 0.7nm) MgO thickness [nm] 0.5 nm 0.6 nm 0.7 nm

11 Kerr rotation [ rad] K eff * 10 5 [J/m 3 ] Zależnośd MA od grubości bufora MgO(d) grubośd Fe t=1.0nm K eff vs grubośd MgO (d) (t=0.9nm, 1.0nm) grubośd MgO (d) 1nm 2nm 4nm Kerr rotation [ rad] LMOKE H[kOe] Fe 0.9 nm Fe 1.0 nm zmiana K eff nie jest związana ze zmianą anizotropii kształtu H [koe] MgO thickness [nm] AKR, T. Nozaki, V. Zayets, H. Kubota, A. Fukushima, S. Yuasa and Y. Suzuki, J. Appl. Phys. J. 120, (2016).

12 Pytania: 1. co jest źródłem MEA w układzie? 2. dlaczego MEA zmienia się z grubością bufora MgO?

13 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 K eff ~ K v =-2*10 6 J/m 3 - zmiana stałej sieci Fe może byd spowodowane mieszaniem Fe i Cr

14 K eff * 10 5 [J/m 3 ] Dlaczego K eff zmienia się z grubością d? 2 1 Fe 0.9 nm Fe 1.0 nm wzrost ujemnego przyczynku do K eff wraz ze wzrostem grubości MgO - zmiana naprężeo w warstwie Fe MgO thickness [nm]

15 coercivity [koe] K eff * 10 5 [J/m 3 ] MA w układzie MgO/Fe(0.4nm 1.0nm)/Cr/MgO(d)/MgO(001) zależy od grubości bufora MgO dla t < 0.8 nm niemonotoniczna zależnośd H c (d) dla 0.8nm t 1.0nm zmiana kierunku namagnesowania (SRT) w funkcji grubości MgO nm 0.6 nm 0.7 nm Fe 0.9 nm Fe 1.0 nm MgO thickness [nm] MgO thickness [nm]

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

17 Wpływ pola elektrycznego na MA w układzie Cr/Fe/MgO G(θ)=G 90 + (G P G 90 ) cosθ

18 Wpływ pola elektrycznego na MA w układzie Cr/Fe/MgO t Fe =5.3Å VCMA ~ 290 fj/vm t Fe =7.8Å VCMA ~ 80 fj/vm T. Nozaki, AKR, W. Skowrooski, V. Zayets, Y. Shiota, S. Tamaru, H. Kubota, A. Fukushima, S. Yuasa, and Y. Suzuki, Phys. Rev. Applied 5, (2016).

19 K eff t Fe (mj/m 2 ) Silny efekt VCMA zaobserwowano dla t Fe < 6Å! 2.5 K s ~ 2.1 mj/m Fe thickness, t Fe ' (nm)

AKR, T. Nozaki, K. Friendl, J. Korecki, S. Yuasa and Y. Suzuki, http://arxiv.org/abs/1701.

20 AKR, T. Nozaki, K. Friendl, J. Korecki, S. Yuasa and Y. Suzuki, Cr/ 57 Fe(6Å)/MgO spektroskopia Mössbauera widmo Cr/ 57 Fe(6Å)/MgO przed i po wygrzaniu Po wygrzaniu: wyostrzenie interfejsów segregacja Cr SRT

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

22 Normalized conductance [a. u.] Zależnośd K eff od grubości Cr 1.00 grubośd Fe t=5.1å grubośd Fe t=6.6å a Cr thickness d [Å] H [koe] Cr thickness d [Å] b H [koe] PMA w układzie Cr/Fe/MgO może byd wzmocniona poprzez naniesienie cienkiej warstwy Cr pomiędzy Fe i MgO!

23 K eff [ J/m 3 ] Zależnośd K eff od grubości Cr d Fe thickness t [Å] Cr thickness [Å] PMA w układzie Cr/Fe/MgO może byd wzmocniona poprzez naniesienie cienkiej warstwy Cr pomiędzy Fe i MgO!

24 K eff t [mj/m 2 ] Zależnośd efektu VCMA od grubości Cr t = 5.1 Å 302 fj/vm 257 fj/vm d [Å] t = 5.4 Å d [Å] t = 5.9 Å d [Å] a 199 fj/vm b c E [mv/nm] E [mv/nm] E [mv/nm]

25 VCMA coefficient [fj/vm] Zależnośd efektu VCMA od grubości Cr Fe thickness [Å] wzmocnienie VCMA dla optymalnej grubości Cr! Cr thickness [Å]

26 K eff [MJ/m 3 ] AKR, T. Nozaki, K. Freindl, J. Korecki, S. Yuasa and Y. Suzuki, VCMA [fj/vm] Zależnośd PMA oraz VCMA od grubości Cr Fe thickness t [Å] 5.11 Å 5.41 Å 5.61 Å 5.91 Å 6.11 Å wzmocnienie PMA oraz VCMA dla optymalnej grubości Cr! Cr thickness d [Å]

27 Wzmocnienie PMA oraz VCMA przyczyna? A. Hallal et al. PRB 90, (2016) J. Zhang et al. arxiv: v1 P. V. Ong et al. PRB 92, (R) (2015)

28 Podsumowanie

29 Podziękowania AIST (Tsukuba) Spintronics Research Center T. Nozaki V. Zayets Y. Shiota S. Tamaru H. Kubota A. Fukushima Y. Suzuki S. Yuasa AGH & IKiFP PAN W. Skowrooski K. Freindl J. Korecki This work was supported by ImPACT Program of Council for Science

Podobne dokumenty

Metody pomiarowe spinowego efektu Halla w nanourządzeniach elektroniki spinowej

Metody pomiarowe spinowego efektu Halla w nanourządzeniach elektroniki spinowej Monika Cecot, Witold Skowroński, Sławomir Ziętek, Tomasz Stobiecki Wisła, 13.09.2016 Plan prezentacji Spinowy efekt Halla