Inclinación y movimiento de la pared del dominio inducido por la corriente en pistas de carreras perpendicularmente magnetizadas

Resultados y discusión

Basándonos en el modelo quiral Néel DW, en primer lugar investigamos los bucles de Hall anómalos bajo el campo de polarización en el plano H _x para obtener fuerza DMI y eficiencia SOT (ver el archivo adicional 1). El campo efectivo de DMI obtenido ( H _DMI ) para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta es de alrededor de 1370 y 1055 Oe, respectivamente. El saturado χ ( χ ^sentado ) que representa la mayor eficiencia de SOT es de alrededor de 10.0 y 8.3 Oe / (10 ⁶ A / cm ² ) para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta, respectivamente. La χ disminuida ^sentado para Pt / Co / C / Ta puede deberse a que alguna interdifusión y reacción química de la interfaz entre Co y C, así como la interfaz entre C y Ta, aumentan la probabilidad de cambio de espín y reducen la inyección efectiva de corriente de espín desde la parte superior Ta . Además, la fuerza de la constante de intercambio DMI | D | también se puede calcular a partir de la medida | H _DMI | usando | D | = μ ₀ M _s ∆ | H _DMI | [26], donde ∆ es el ancho DW y se relaciona con la constante de rigidez de intercambio A y densidad de energía PMA efectiva K _ef hasta ∆ =( A / K _ef ) ^1/2 . Usando M _s (respectivamente alrededor de 1.213 × 10 ⁶ y 1,288 × 10 ⁶ A / m para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta) y K _ef (respectivamente alrededor de 4,1 × 10 ⁵ y 2,1 × 10 ⁵ J / m ³ para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta) como se informó en el trabajo anterior y asumiendo A ≈ 1 . 5 × 10 ⁻¹¹ J / m [27], estimamos | D | =1,01 ± 0,16 mJ / m ² para Pt / Co / Ta y | D | =1,15 ± 0,14 mJ / m ² para Pt / Co / C / Ta. La diferencia de | D | el valor parece ser débil en estas dos muestras. Esto puede explicarse porque la fuerza de DMI total resulta de las dos contribuciones de las interfaces Pt / Co inferiores y las interfaces Co / Ta o Co / C superiores. Dado que las interfaces Pt / Co inferiores son muy similares, contribuyen igualmente a | D |. Considerando que, para la contribución de la interfaz superior Co / Ta o Co / C, Ma et al. [28] informó que | D | inducida por Ta es mucho más débil que la de Pt. Por lo tanto, la interfaz superior Co / Ta es débil para la contribución del total | D |. Y la contribución de la interfaz Co / C superior también es insignificante debido al acoplamiento de órbita-giro muy débil de C.También se observa que las interfaces Pt / Co inferior y Co / Ta superior contribuyen a la DMI pero pueden cancelarse parcialmente entre sí [28], lo que lleva a una leve disminución de | D | para las muestras de Pt / Co / Ta en comparación con las muestras de Pt / Co / C / Ta. Como consecuencia, el similar | D | para las muestras de Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta revela que la fuerza de DMI proviene principalmente de la contribución de la interfaz Pt / Co. Además, para estas dos muestras, H _DMI / H _K (respectivamente alrededor de 0,2 y 0,3 para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta) es menor que 2 / π. Mientras H _DMI no está más allá del umbral teórico requerido para estabilizar Néel DWs [25, 26], el Néel DW quiral en estas dos muestras se demuestra observando el comportamiento de CIDWM que se discutirá a continuación. Mientras tanto, el Hall anómalo gira bajo el campo de polarización en el plano ( H _y ) ortogonal a la dirección de la corriente también se investigan. Aunque una gran H _y se aplica, el desplazamiento de R _Salón - H _z bucles es bastante pequeño (consulte el archivo adicional 1). Podría deberse a eso H _y transforma gradualmente los DW quirales de tipo Néel en DW de tipo Bloch, y el campo efectivo H _ELLA es casi cero para un DW tipo Bloch según la fórmula [10, 29, 30]:

donde, θ _ELLA , Sra. , t _F , J _x , \ (\ widehat {m} \) y \ (\ widehat {j} \) representan el ángulo de efecto Hall de giro, la magnetización de saturación de la capa de FM, el grosor de la capa de FM, la densidad de corriente a lo largo de x dirección, vector unitario de la magnetización y vector unitario de la densidad de corriente, respectivamente.

A continuación, la velocidad DW ( v ) bajo el campo magnético fuera del plano y el pulso de corriente en el plano se midieron utilizando el microscopio Kerr para investigar el comportamiento del movimiento DW. Se formó una DW preparada previamente usando un pulso de campo magnético justo por encima del campo de nucleación después de que la pista de carreras se saturó en un gran campo magnético opuesto. Velocidad bajo H _z el pulso se muestra en la Fig. 1a, b para dos muestras. Para Pt / Co / C / Ta, v es aún más pequeño que el de la muestra de Pt / Co / Ta incluso bajo un gran campo magnético de conducción. Posiblemente se deba a la formación de muchos más defectos después de la decoración en C, lo que aumenta los campos de fijación [23]. También se puede ver que lg v es proporcional a H _z ^-1/4 , lo que indica un régimen de fluencia de movimiento DW de acuerdo con la ley de fluencia [31]:

Velocidad DW en función del campo fuera del plano H _z para Pt / Co / Ta ( a ) y Pt / Co / C / Ta ( b ). Los recuadros en a y b representar las instantáneas de dominios en diferentes campos para mostrar la forma DW

donde U _C es una energía característica relacionada con el potencial de inmovilización inducido por el trastorno, k _B es la constante de Boltzmann, T es la temperatura y H _dep es el campo de depilación en el que la energía de Zeeman es igual a la energía de fijación de DW. La pendiente de ajuste da una medida de \ (\ frac {U_c} {k_BT} {H_ {dep}} ^ {1/4} =s \), s es de alrededor de 37,4 y 76,5 Oe ^1/4 para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta, respectivamente. Dado que el H _dep para Pt / Co / C / Ta es dos veces mayor que para Pt / Co / Ta [23], la diferencia de H _dep ^1/4 entre ellos es menor de 1,5. Sin embargo, la diferencia de s entre ellos es mayor que 2. Indica que la muestra de Pt / Co / C / Ta tiene un mayor potencial de fijación, lo cual es consistente con la discusión anterior. Además, los recuadros de la Fig. 1a, b también muestran las instantáneas de imágenes de dominio bajo diferentes campos magnéticos. Se puede ver que la forma DW muestra una distribución mayor para Pt / Co / C / Ta que para Pt / Co / Ta. También indica que el potencial de fijación no es del todo homogéneo en Pt / Co / C / Ta debido a que la decoración de C induce sitios de fijación distribuidos aleatoriamente. Considerando que, la inclinación regular DW bajo el campo magnético no se observa para estas dos muestras, que es diferente del modelo teórico de coordenadas colectivas [20].

Posteriormente, también se investigó el comportamiento de CIDWM para hacer una comparación con el movimiento DW inducido por el campo. Un dominio de arriba a abajo (UD) o de abajo a arriba (DU) fue nucleado primero por un campo magnético de pulsos de un estado saturado, y luego, se aplicó una corriente de pulso para impulsar el movimiento DW usando un generador de pulsos con ancho de pulso en el rango de 5–100 ns. La Figura 2a, b muestra la velocidad CIDWM sin ningún campo magnético aplicado. La velocidad positiva o negativa significa el movimiento DW a lo largo o en contra de la dirección actual. Implica la formación de un Néel DW quiral con la existencia de DMI en estas dos muestras [10, 30]. El aumento de velocidad a la densidad de corriente más alta se debe al aumento de H _ELLA actuando sobre el quiral Néel DW. Sin embargo, necesita una densidad de corriente dos veces mayor para alcanzar la misma velocidad DW en Pt / Co / C / Ta en comparación con las estructuras Pt / Co / Ta. Puede atribuirse a la disminución de la eficiencia del SOT y al aumento de la barrera potencial de fijación por la decoración interfacial de C. Además, la velocidad DW por conducción actual es de alrededor de 10 ³ veces más grande que el campo magnético que conduce con el campo efectivo generado por la corriente manteniendo el mismo valor que el campo magnético. Revela que otros mecanismos como el calentamiento Joule y / o el campo Oersted generado a partir de la corriente también pueden desempeñar un papel importante en CIDWM. Cabe señalar, tanto en la Fig. 2b como en la Fig. 3c, que las disminuciones de la velocidad DW y el ángulo de inclinación DW se observan en la muestra de Pt / Co / C / Ta cuando la densidad de corriente es de ± 19,2 MA / cm 2 . Mientras tanto, se puede ver más área de nucleación como puntos blancos o negros en el recuadro de las Figs. 2b y 3c a densidades de corriente más altas. Esto podría atribuirse a que la térmica activa algunos sitios de nucleación aleatorios a grandes densidades de corriente debido al gran calentamiento de Joule existente y el paisaje de barrera potencial de inmovilización también podría redistribuirse, lo que puede ejercer una influencia en la velocidad de movimiento y el ángulo de inclinación.

Velocidad DW contra densidad de corriente para Pt / Co / Ta ( a ) y Pt / Co / C / Ta ( b ). Los recuadros en a y b representar las instantáneas de la forma del dominio en la densidad de corriente representativa

( a ) Las imágenes de Kerr dan la definición de ángulo de inclinación DW ( ψ ) y cambios de ψ a diferentes densidades de corriente desde el estado "arriba" al estado "abajo" y "abajo" al estado "arriba", tomando la muestra de Pt / Co / Ta como ejemplo. Ángulo de inclinación DW versus densidad de corriente para Pt / Co / Ta ( b ) y Pt / Co / C / Ta ( c ). Los recuadros en b y c representar las instantáneas de la forma del dominio en diferentes densidades de corriente

Durante el movimiento DW inducido por la corriente, el fenómeno de inclinación DW se observa claramente en estas dos muestras y la inclinación se forma gradualmente en una observación dependiente del tiempo con un pulso suficientemente corto como fuerza motriz. Para obtener una idea de la inclinación DW inducida por la corriente, medimos el ángulo de inclinación DW ( ψ ) que se define en la Fig. 3a a diferentes densidades de corriente. También debe tenerse en cuenta que el ángulo de inclinación puede cambiar ligeramente durante el movimiento debido a la amplia distribución de desnivel a lo largo de las pistas de carreras, lo que dará como resultado un gran error de medición a una densidad de corriente específica. En la Fig. 3b, c se puede ver una dependencia aproximadamente lineal del ángulo de inclinación de la densidad de corriente para ambas muestras. Coincide con el trabajo teórico anterior [20], en el que se pueden observar dependencias aproximadamente lineales del ángulo de inclinación y la velocidad DW sobre la menor densidad de corriente. Sin embargo, ocurre un gran ángulo de inclinación DW con al menos un orden de densidad de corriente mayor en su simulación. Esto no es consistente con nuestra observación y el comportamiento de inclinación tampoco se observa durante el movimiento DW inducido por el campo en nuestro experimento. Por lo tanto, la influencia de la DMI o la distribución graduada de la barrera de potencial de fijación en la inclinación de la DW inducida por la corriente puede ser débil. Además, el efecto Hall anómalo también puede conducir a la inclinación del DW, pero se espera que la contribución sea pequeña en una pista de carreras de nanómetros de espesor [20]. Una posible explicación es que la corriente aplicada no solo genera un campo efectivo de efecto Hall H _ELLA , sino también el campo Oersted ( H _Oersted ) que también puede provocar un movimiento DW. Ambos H _ELLA y H _Oersted podría influir en la inclinación del DW. En la Fig. 4, trazamos el esquema de estos campos efectivos para aclarar el comportamiento de inclinación DW. La disposición del dominio se muestra como bocetos U-D-U-D, y la magnetización en el DW con una quiralidad hacia la izquierda se muestra como una flecha negra delgada a lo largo de la orientación en el plano. En una pista de carreras delgada y uniforme, si el grosor ( t ) es mucho menor que el ancho ( w ), el H generado _Oersted se concentra en los dos bordes y su componente promedio sobre el espesor se puede calcular mediante H _Oersted = ± jt [3 + 2ln w / t ] / 4π [22]. El H obtenido _Oersted son alrededor de 19.6 y 37.4 Oe para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta usando la densidad de corriente máxima de 10.0 y 19.2 MA / cm ² , respectivamente, que es comparable al campo efectivo de efecto Hall H _ELLA (alrededor de 100,0 y 159,4 Oe para Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta a las mismas densidades de corriente). Desde H _ELLA y H _Oersted tienen la misma dirección en las posiciones marcadas como estrellas verdes, un campo efectivo más grande actuará sobre el DW en el área de la estrella verde, lo que da como resultado una velocidad mucho mayor en comparación con la del área opuesta de las estrellas verdes en la pista de carreras. Por lo tanto, se puede formar un DW inclinable con una forma trapezoidal específica que se muestra en el panel inferior izquierdo de la Fig. 4. El recuadro de la Fig. 3b para Pt / Co / Ta también muestra obviamente la forma similar en algunas densidades de corriente representativas. Además, el mayor ángulo de inclinación a la mayor densidad de corriente puede explicarse por la gran diferencia de velocidad en ambos bordes de la pista de carreras debido al aumento de H _Oersted . Mientras tanto, se puede encontrar que la forma del dominio tendrá una transformación una vez que los arreglos del dominio y / o la polaridad actual cambien de acuerdo con el análisis anterior. Toda la forma del dominio esbozada en un pulso actual es consistente con las observaciones experimentales. Además, la explicación anterior sobre la inclinación DW también es válida cuando un H en el plano _x o H _y Está aplicado. Cuando H _x se aplica, cambiará la orientación de magnetización en DWs. Por lo tanto, el H _ELLA cambiará un signo para el DW con su magnetización horizontal original opuesta a H _x , lo que hace que el dominio de forma trapezoidal se expanda o encoja (según el signo de H _x ) como se muestra en el panel central derecho de la Fig. 4. Cuando H _y se aplica, una fuerte H _y cambiará un DW tipo Néel por uno Bloch. H _ELLA se convertirá en cero de acuerdo con la Ec. (1), y solo el campo Oersted H generado actualmente _Oersted impulsa el movimiento DW. Esto hará que el dominio se expanda en un borde. También se puede ver que el cambio de dominio en el borde ocurre como H _y es alrededor de - 1400 Oe como se muestra en el panel inferior derecho de la Fig. 4. Esto es consistente con el análisis de que H _Oersted ya que la única fuerza motriz es responsable del movimiento DW. Sin embargo, no puede conducir a un comportamiento de inclinación normal de DW. Por lo tanto, la inclinación de DW inducida por la corriente podría atribuirse al campo de Oersted inducido por la corriente combinado con el campo efectivo de spin Hall.

Movimiento de DW esquemático y formas de dominio a una densidad de corriente J . El panel superior izquierdo muestra el dominio con bocetos U-D-U-D y la orientación de magnetización (flecha negra delgada) en el dominio y DW. Una vez aplicada una corriente, la H generada _ELLA que actúan sobre los DW se muestran como flechas rojas gruesas, mientras que los campos Oersted ( H _Oersted ) a ambos lados de la pista de carreras se muestran como flechas azules. El panel inferior izquierdo muestra el cambio correspondiente de la forma del dominio (indicado como bloques negros gruesos con guiones) bajo la acción de H _ELLA y H _Oersted . El panel de la derecha muestra el efecto de los campos magnéticos en el plano en la forma del dominio para Pt / Co / Ta

Conclusiones

En resumen, el movimiento y la inclinación de la pared del dominio inducidos por la corriente se observan en las estructuras Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta. La fuerza DMI y la eficiencia SOT se obtienen utilizando un método de medición de transporte que puede alcanzar 1.01 ± 0.16 (1.15 ± 0.14) mJ / m ² y 10.0 (8.3) Oe / MA / cm ² para muestras de Pt / Co / Ta (Pt / Co / C / Ta), respectivamente. La fuerza DMI similar para las muestras de Pt / Co / Ta y Pt / Co / C / Ta revela que la fuerza DMI proviene principalmente de la contribución de la interfaz Pt / Co. La velocidad DW reducida en el movimiento DW inducido por el campo para Pt / Co / C / Ta indica que la velocidad DW está relacionada con la barrera de potencial de fijación. Además, el calentamiento Joule generado por la corriente y el campo Oersted juegan un papel importante en el movimiento y la inclinación del DW. Para la aplicación de memoria de pista de carreras, se debe considerar el gran campo de Oersted generado por la corriente, ya que cambiará drásticamente la forma de los bits de grabación e incluso reducirá el área de los bits de grabación. Esto puede no ser beneficioso para la aplicación práctica. Nuestros hallazgos podrían proporcionar algunas perspectivas de diseño para impulsar el movimiento DW en las memorias de las pistas de carreras basadas en SOT.

Abreviaturas

CIDWM:

Movimiento de la pared del dominio inducido por la corriente

DMI:

Interacción Dzyaloshinskii – Moriya

D-U:

De abajo a arriba

DW:

Muro de dominio

FIDWM:

Movimiento de la pared del dominio inducido por el campo

FM:

Ferromagnetos

HM:

Metal pesado

PMA:

Anisotropía magnética perpendicular

SOT:

Par de giro en órbita

STT:

Torque de transferencia de giro

U-D:

De arriba hacia abajo

Electrohilado de nanofibras de carboximetilquitosano / óxido de polioxietileno para mantener la fruta fresca Resistencia de contacto reducida entre el metal y n-Ge mediante la inserción de ZnO con tratamiento con plasma de argón