Lokalisasi tidak langsung dari dinding domain magnetik yang dimediasi oleh dinding kuasi | laporan ilmiah

Lokalisasi tidak langsung dari dinding domain magnetik yang dimediasi oleh dinding kuasi | laporan ilmiah

Anonim

Subjek

  • Sifat dan bahan magnetik
  • Spintronics

Abstrak

Manipulasi dinding domain magnetik dalam film tipis dan struktur nano membuka peluang baru untuk penelitian fundamental dan terapan. Tetapi mengendalikan dengan andal posisi dinding domain yang bergerak masih tetap menantang. Sejauh ini, sebagian besar studi bertujuan memahami fisika proses penjepit dan penipisan lapisan magnetik di mana dinding bergerak (lapisan aktif). Dalam studi ini, peran lapisan magnetik lain dalam tumpukan sering diabaikan. Di sini, kami melaporkan proses lokalisasi tidak langsung dari dinding domain 180 ° yang terjadi di persimpangan terowongan magnetik, yang biasa digunakan dalam spintronics. Menggabungkan Pemindaian Transmisi X-Ray Mikroskopi dan simulasi mikromagnetik, konfigurasi magnetik di kedua lapisan diselesaikan. Ketika nukleasi dinding domain 180 ° di lapisan aktif, dinding kuasi dibuat di lapisan referensi, di atas dinding. Dinding dan dinding kuasi kemudian harus dipindahkan atau diposisikan bersama, sebagai objek yang unik. Sebagai efek timbal balik, perubahan sifat magnetik lokal pada lapisan referensi menginduksi dinding kuasi lokal pada lapisan aktif. Dua jenis dinding kuasi terbukti bertanggung jawab untuk proses lokalisasi tidak langsung dari dinding domain 180 ° di lapisan aktif.

pengantar

Selama beberapa dekade, dinding domain magnetik (DW) telah dilihat sebagai batas, kadang-kadang dengan struktur internal yang kompleks, antara domain magnet yang seragam. Saat ini, mereka dianggap sebagai benda dalam hak mereka sendiri. Menstabilkan dan memanipulasi DWs dalam struktur nano melalui bentuk 1, bidang 2, atau lebih baru-baru ini menggunakan arus terpolarisasi spin 3, 4, 5, 6 menjadi bidang penelitian yang intens dalam beberapa tahun terakhir 7, 8 . Secara khusus, kontrol proses penjepit dan penipisan telah menimbulkan banyak pertanyaan mendasar. Sementara mekanisme depinning masih dalam perdebatan 9, 10, 11, banyak upaya telah dicurahkan untuk merealisasikan situs pinning yang terdefinisi dengan baik, misalnya menggunakan takik dengan bentuk dan geometri terkontrol 12, 13, atau menggunakan cacat kristal seperti kembar mikro 9, batas antiphase, atau kekasaran tepi. Sebagian besar waktu, situs pinning ini terletak di lapisan magnetik di mana DW bergerak. Namun, banyak penelitian menyelidiki sifat-sifat struktur nano multilayer yang lebih kompleks, di mana setidaknya lapisan magnetik aktif (sering lunak) dan referensi (sering keras) hidup berdampingan. Sebagai contoh, dengan menggunakan efek magnetoresistif dalam bilayer dan multilayers, baik level sinyal 12, 14, 15 dan efisiensi torsi putaran 16 dapat ditingkatkan. Dalam lapisan ganda lunak / keras, lapisan feromagnetik keras yang digunakan untuk memutar polarisasi arus, sering kali pada asal dari kopling magnetik yang dapat mempengaruhi perilaku dinding domain 11, 17, 18 . Laporan tentang dampak lapisan tambahan jarang, terutama di perangkat dengan dinding domain. Bidang nyasar yang tidak homogen telah terbukti memiliki dampak yang kuat pada proses penipisan dinding domain tunggal dan menjadi sumber tambahan penjepit 15 . Dalam artikel ini, kami melaporkan mekanisme pelokalan baru untuk dinding domain magnetik dalam struktur berlapis.

Dalam karya ini, kami menyelidiki switching magnetik dari lapisan lunak dari sambungan terowongan magnetik (MTJ) menggunakan Scanning Transmission X-ray Microscopy (STXM). Medan magnet in-situ telah diterapkan pada 1 × 3 μm 2 berbentuk elips MTJ dengan susun sebagai berikut: Ta (5) / Al 2 O 3 (2) / Co (4) / Al 2 O 3 (2) / Fe 20 Ni 80 (4) / Ru (2) (ketebalan lapisan dalam nanometer). Untuk memungkinkan pengukuran transmisi, MTJ dibuat dengan deposisi sputtering dan berpola pada membran Si 3 N 4 setebal 200 nm, membran hampir transparan dengan sinar-X yang lembut. Konfigurasi mikromagnetik lapisan lunak (NiFe) dan lapisan keras (Co) telah dicitrakan mengambil keuntungan dari selektivitas kimia teknik dan efek XMCD besar yang terkait dengan masing-masing tepi Ni dan Co L 3 19 . Satu set gambar XMCD-STXM telah diambil untuk nilai yang berbeda dari medan magnet yang diterapkan, di sepanjang kurva histeresis magnetik lapisan lunak (NiFe). Susunan geometri STXM telah dipilih untuk menyelidiki sebagian besar komponen dalam bidang magnetisasi, di sepanjang sumbu elips (arah magnet yang mudah). Gambar XMCD-STXM yang diperoleh untuk medan magnet berbeda yang direkam pada tepi Ni ditunjukkan pada Gambar. 1. Dua kasus khas ditunjukkan pada Gambar. 1a dan Gambar. 1b. Mereka berkorespondensi dengan dua elips yang berbeda dan dicirikan oleh konfigurasi mikromagnetik dari lapisan lunak saat remanen. Dalam konfigurasi pertama, seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 1a (0 Oe), keadaan magnet sebagian besar seragam. Ini kontras dengan kasus kedua yang dilaporkan pada Gambar. 1b (0 Oe) di mana lapisan lunak menampung 360 ° DW. Perbedaan drastis yang diamati telah dianggap berasal dari proses pembalikan yang terjadi pada ekstremitas elips 18 yang diinduksi oleh medan liar dipolar yang berasal dari lapisan keras Co. Untuk mengungkap proses switching magnetik lapisan lunak NiFe, pengaturan STXM digunakan dengan bidang yang diterapkan di tempat . Pertama, sampel dijenuhkan dengan bidang 1 kOe yang diterapkan di sepanjang sumbu panjang elips: baik lapisan lunak NiFe dan lapisan keras Co menyelaraskan magnetisasi mereka di sepanjang arah medan dan menunjukkan keadaan domain tunggal. Keadaan magnetik lapisan lunak kemudian dicitrakan mengurangi bidang yang diterapkan (20, 10, 4 dan 0 Oe). Dalam kedua kasus (Gambar 1a dan 1b) nukleasi domain terjadi pada ekstremitas elips untuk nilai medan positif (Gambar 1: 20 Oe). Pembalikan yang diantisipasi ( yaitu untuk nilai-nilai medan positif) dari magnetisasi lapisan lunak adalah efek dari medan liar yang berasal dari lapisan Co di tepi elips. Pengurangan lebih lanjut dari lapangan mengarah ke propagasi domain yang sebelumnya berinti menuju inti elips (Gbr. 1: 10 dan 4 Oe). Pengamatan ini mengungkapkan proses pembalikan yang berasal dari ekstremitas elips.

Image

Gambar dan simulasi eksperimental direkam untuk nilai medan magnet yang berbeda setelah saturasi dalam medan positif. Dalam setiap kasus, proses pembalikan dimulai oleh nukleasi domain pada ekstremitas elips . Sementara keadaan magnetik lapisan lunak sebagian besar seragam pada 0 Oe dalam kasus (a) 360 ° DW hadir dalam kasus yang disajikan dalam (b). Level warna sesuai dengan proyeksi magnetisasi dalam pesawat sepanjang sumbu elips panjang. Magnetisasi adalah magnetisasi saturasi saturasi normal.

Gambar ukuran penuh

Untuk mendapatkan lebih banyak wawasan tentang mekanisme pembalikan yang mengarah pada pembentukan atau non-pembentukan 360 ° DW, perhitungan mikromagnetik dilakukan 20 . Dalam keadaan awal, kedua lapisan jenuh dengan menerapkan medan magnet sepanjang sumbu panjang elips. Kemudian, bidang semakin dikurangi menjadi nol. Ketika medan yang diterapkan diturunkan, torsi yang diberikan oleh medan liar yang berasal dari lapisan keras mengarah ke nukleasi domain terbalik pada lapisan lunak, pada ekstremitas elips (Gambar 1b 26 dan 20 Oe).

Keduanya menghasilkan 180 ° DWs lebih jauh merambat ke pusat elips di mana mereka bertemu. Jika kedua DW memiliki chirality yang sama, 360 ° DW terbentuk, sementara dua dinding ini saling memusnahkan jika keduanya memiliki chirality yang berlawanan. Kasus di mana 360 ° DW runtuh dengan baik direproduksi dengan memperkenalkan dalam simulasi kemiringan lokal arah anisotropi di salah satu ekstremitas elips (10 ° wrt sumbu panjang) untuk memilih kiralitas yang diinginkan dari 180 ° DW berinti. Dengan demikian, pembentukan atau keruntuhan 360 ° DW dipicu oleh kiralitas relatif dari dua 180 ° DW, berinti di ekstremitas elips.

Namun, simulasi numerik selalu memprediksi lokalisasi 360 ° DW di pusat elips, sementara ini jarang diamati dalam pengukuran kami. Kemampuan teknik XMCD-STXM untuk menyelidiki dua lapisan feromagnetik secara mandiri, memberikan informasi berharga untuk mengungkap mekanisme penggerak yang mengarah ke lokalisasi 360 ° DW. Konfigurasi mikromagnetik kedua lapisan dapat dicitrakan pada elips yang sama, selama urutan medan magnet, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Untuk melakukannya, gambar direkam pada tepi Ni dan Co setelah saturasi dengan bidang 1 kOe yang diterapkan di sepanjang sumbu panjang elips. Kemudian, bidang yang diterapkan dikurangi menjadi nol. Di sini sekali lagi kontras magnetik berhubungan dengan komponen magnetisasi yang sejajar dengan sumbu panjang elips. Perlu diperhatikan bahwa magnetisasi pada lapisan keras tidak seragam. Khususnya, untuk bidang yang diaplikasikan 20 Oe, magnetisasi yang tidak homogen diamati di lapisan keras, sementara tidak ada DW yang hadir di atasnya dalam lapisan lunak (Gbr. 2a). Inhomogeneity ini sesuai dengan pengurangan sekitar 20% dari komponen magnetisasi dalam pesawat sepanjang sumbu panjang elips. Penurunan lebih lanjut dari bidang ke 10 Oe mengarah ke lokalisasi 180 ° DW pada posisi yang sedikit bergeser ke kanan dari atas ketidakhomogenan ini (Gbr. 2a, 10 Oe). Kemudian pada nol bidang terapan, kedua 180 ° DW telah bertemu, membentuk 360 ° DW terlokalisasi di atas ketidakhomogenan magnetik di lapisan keras (Gbr. 2a, 0 Oe). Profil magnetisasi diekstraksi dari gambar bidang nol di kedua lapisan mengkonfirmasi bahwa posisi 360 ° DW sejajar tetapi sedikit bergeser ke kanan dari ketidakhomogenan magnetisasi yang diamati pada lapisan keras (lihat Gambar. 2c). Fenomena ini telah diamati pada 3 elips yang berbeda dan tampaknya sistematis.

Image

(a) Gambar XMCD-STXM. Konfigurasi magnetik lapisan lunak dan keras telah direkam pada satu elips khas sebagai fungsi dari medan yang diterapkan setelah saturasi pada medan positif tinggi. Ketika medan direduksi menjadi nol, 360 ° DW terbentuk pada lapisan lunak di atas ketidakhomogenan lokal dari magnetisasi yang ada di lapisan keras; (b) Konfigurasi mikromagnetik terkomputasi dari lapisan lunak dan keras sebagai fungsi bidang terapan. Simulasi memperhitungkan kemiringan lokal anisotropi dengan nilai anisotropi yang lebih tinggi pada lapisan keras pada posisi yang sesuai dengan inhomogeneity spasial dari magnetisasi yang diamati secara eksperimental; (c) Profil magnetisasi pada lapisan lunak dan keras yang diekstraksi dari gambar eksperimental dan simulasi; (d) Profil dinding 180 ° (garis oranye) di lapisan lunak yang terkait dengan dinding kuasi (garis cyan) di lapisan keras. Kedua profil diekstraksi dari konfigurasi mikromagnetik simulasi sesuai dengan bidang 20 Oe (lihat garis merah pada gambar 20 Oe); Representasi skematis pasangan dinding / kuasi dinding; e) Profil Cohomogeneity pada lapisan keras (garis cyan) dengan dinding kuasi yang terkait (garis oranye) di lapisan lunak NiFe. Kedua profil diekstraksi dari konfigurasi mikromagnetik yang disimulasikan yang sesuai dengan bidang 20 Oe (lihat garis hitam pada gambar 20 Oe); Representasi skematis dari pasangan fluktuasi / kuasi dinding.

Gambar ukuran penuh

Perhitungan mikromagnetik dengan mempertimbangkan kemiringan lokal anisotropi (atau fluktuasi anisotropi) dengan nilai anisotropi yang lebih tinggi di lapisan keras menyajikan perjanjian yang sangat baik dengan pengamatan eksperimental (Gambar 2c dan bahan tambahan). Perubahan spasial properti magnetik dari lapisan keras menciptakan posisi pinning untuk 180 ° DW dan memaksakan lokasi 360 ° DW (Gbr. 2b dan 2c). Pada titik ini sifat fisik interaksi antara fluktuasi lapisan keras dan 180 ° DWs pada lapisan lunak masih belum diungkapkan.

Ketika dua lapisan magnetik dipisahkan oleh lapisan non-magnetik yang tipis, dan ketika salah satu lapisan menampung 180 ° DW, energi magnetostatis sistem berkurang dengan pembentukan dinding kuasi magnetik, QDW, pada lapisan lainnya. , 22, 23 . Dengan kata lain, dinding kuasi menyaring sebagian muatan magnetik dinding domain. Dalam simulasi mikromagnetik kami, kuasi-dinding memang diamati pada lapisan keras, sesuai dengan rotasi lokal magnetisasi lapisan keras beberapa derajat, mengikuti gerakan 180 ° DW dalam lapisan lunak (lihat Gambar. 2d). Demikian pula, fluktuasi lokal dari anisotropi di lapisan keras mengarah ke pembentukan dinding kuasi lain di lapisan lunak. Berikut ini, kita akan menyebut kuasi-dinding ini sebagai 'kuasi-fluktuasi', karena dibuat melalui kopling dipolar oleh fluktuasi magnetisasi pada lapisan keras. Mempertimbangkan hanya satu dari dua 180 ° DW berinti, sistem kami kemudian dijelaskan oleh satu 180 ° DW di lapisan lunak, satu daerah magnetisasi miring pada lapisan keras yang dibuat oleh kemiringan lokal anisotropi magnetik, satu dinding kuasi dan satu kuasi-fluktuasi (Gbr. 3a). Situasi ini lebih kompleks daripada yang diamati ketika 180 ° DW dan fluktuasi hanya digabungkan dengan dipolar coupling, direct coupling yang di sini dikurangi oleh penutupan fluks di DW / QDW dan subsistem fluktuasi / kuasi-fluktuasi.

Image

(a) Diagram interaksi antara satu 180 ° DW dalam lapisan lunak (DW), fluktuasi pada lapisan keras (Fluct), masing-masing dinding kuasi domain terkait (QDW) dan kuasi fluktuasi (Q. Fluct); (B) sketsa magnetisasi satu dimensi dalam lapisan magnetik lunak (atas) dan keras (bawah) ketika dinding domain berinti di sebelah kanan elips seperti pada gambar STXM. Magnetisasi pada inhomogeneity lapisan keras menginduksi pada kedua lapisan magnetis suatu konfigurasi tipe magnet pegas yang menghentikan perambatan dinding domain 180 ° pada lapisan lunak; (c) Sketsa magnetisasi satu dimensi dalam lapisan magnetik lunak (atas) dan keras (bawah) ketika dinding domain berinti di sebelah kiri elips seperti pada gambar STXM. Magnetisasi pada inhomogeneity lapisan keras tidak menyebabkan konfigurasi tipe pegas pada lapisan dan dinding domain 180 ° pada lapisan lunak menyebar melalui inhomogeneity magnetik.

Gambar ukuran penuh

Untuk menyoroti peran dinding kuasi dan fluktuasi semu dalam proses pinning dinding domain 180 ° dalam multilayer magnetik, kami telah melakukan perhitungan mikromagnetik khusus. Dalam set pertama simulasi, kami secara artifisial menghentikan gerakan kuasi-dinding dengan membekukan konfigurasi magnetik pada lapisan keras Co, hanya menyisakan lapisan lunak yang bebas untuk berevolusi. Kami mengamati bahwa 180 ° DW tetap di atas dinding kuasi beku: objek apa pun yang pin, tanpa deformasi, dinding kuasi di lapisan Co demikian juga pin 180 ° DW di lapisan lunak. Dalam set kedua perhitungan mikromagnetik, kita secara artifisial membekukan kuasi-fluktuasi pada lapisan lunak dan menghilangkan wilayah inhomogeneity pada lapisan keras Co dan dengan demikian bidangnya yang tersesat. Ini juga mengarah pada pelokalan 180 ° DW dalam lapisan lunak dan dinding kuasi yang terkait di lapisan keras. Keberadaan kuasi-dinding dan kuasi-fluktuasi adalah kunci untuk menjelaskan proses pinning. Namun, mengapa 180 ° DW kedua berinti di ekstremitas elips lainnya merambat melalui daerah fluktuasi magnetisasi lapisan keras?

Pertama-tama mari kita perhatikan 180 ° DW berinti di ujung kanan elips. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3b, pada lapisan lunak, 180 ° DW memenuhi kuasi-fluktuasi yang disebabkan oleh fluktuasi lokal pada lapisan keras: magnetisasi mereka bersifat antiparalel; Konfigurasi ini, kami sebut 'konfigurasi magnet pegas lateral', mencegah penyebaran 180 ° DW karena kompresi pegas ini akan menyebabkan peningkatan energi pertukaran seperti di dinding domain konvensional di bawah bidang terapan. Pada lapisan keras, dinding kuasi yang diinduksi oleh 180 ° DW memenuhi fluktuasi magnetisasi lokal; magnetisasi mereka juga antiparalel dan konfigurasi magnet pegas lateral juga dikembangkan. Untuk menyebarkan 180 ° DW, kedua konfigurasi pegas harus dilepas. Ini terjadi ketika anisotropi dari inhomogeneity magnetik kecil atau ketika magnetisasi dalam fluktuasi lapisan keras berorientasi dekat dengan sumbu elips panjang (lihat Bahan sup). Di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, 180 ° DW berinti di ekstremitas lain di lapisan lunak memiliki magnetisasi yang sejajar dengan kuasi-fluktuasi dan magnetisasi, di lapisan keras, dari dinding kuasi yang diinduksi oleh 180 ° DW dan fluktuasi lokal juga paralel. Akibatnya, 180 ° DW merambat dan dua DW kemudian bertemu di sekitar ketidakhomogenan magnetik di lapisan keras di mana mereka melokalisasi, sedikit bergeser ke arah kanan cacat di mana DW lain telah berhenti.

Singkatnya, kami menunjukkan dalam penelitian ini bahwa dinding kuasi dapat memainkan peran kunci dalam proses pin dari DWs di multilayers magnetik. Mekanisme baru ini sangat penting dalam konteks penelitian intens tentang manipulasi dinding domain, dan harus bekerja di sebagian besar sistem di mana dinding kuasi hadir dan di mana dinding kuasi dapat diblokir atau dapat bertindak sebagai situs pemblokiran.

Metode

Pembuatan sampel

Tumpukan multilayer MTJ ditanam dalam sistem sputtering Konsep Aliansi UHV pada membran Si 3 N 4 (NTT, Jepang) setebal 200 nm untuk memungkinkan percobaan STXM. Sampel terdiri dari membran // Ta (5) / AlO3 (2) / Co (4) / Al2O3 (2) / Fe20Ni80 (4) / Ru (2) (ketebalan lapisan dalam nanometer). Bidang koersif Co kontinu dan NiFe masing-masing adalah 50 dan 20 Oe. Bidang kopling feromagnetik antara dua lapisan kurang dari 5 Oe. Elips 1 × 3 µm2 telah dipola dengan litografi berkas elektron menggunakan mikroskop elektron pemindaian JEOL 6500F. Struktur-struktur ini didefinisikan menggunakan masker Al dan etsa berkas ion Ar berikutnya ke substrat Si 3 N 4 .

Pengukuran STXM

Pengukuran telah dilakukan di beamline 24 POLLUX pada synchrotron Sumber Cahaya Swiss (SLS-Villigen, Swiss). Gambar domain magnetik telah direkam menggunakan mikroskop STXM transmisi sinar-X yang lembut (Scanning Transmission X-ray Microscope). Dalam pengaturan mikroskop, sinar-X dapat difokuskan ke ukuran spot 14 nm 25 menggunakan lensa pelat zona difraksi. Untuk percobaan ini, titik sinar 40 nm tipikal telah digunakan untuk mengoptimalkan sinyal ke tingkat latar belakang dan efisiensi pelat zona. Gambar direkam memindai berkas melalui sampel dan mengumpulkan sinyal serapan sinar-X menggunakan tabung photomultiplier dengan scintillator fosfor. Kami mengambil manfaat dari sensitivitas kimia dari X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) untuk secara selektif gambar kedua elektroda dari MTJ. Lapisan keras Co dicitrakan menggunakan tepi serapan Co L 3 (777 eV), sedangkan NiFe lunak diselidiki menggunakan tepi Ni L 3 (852 eV). Konfigurasi domain magnetik setiap lapisan telah diselidiki dengan memanfaatkan sinyal dichroism bundar besar yang terkait dengan tepi Co dan Ni L pada polarisasi sinar-X melingkar kiri / kanan. Insiden balok ditetapkan pada 30 ° sampel normal untuk gambar terutama domain magnetik dalam pesawat. Untuk setiap tepi serapan, satu set dua gambar telah direkam masing-masing dengan polarisasi lingkaran kanan dan kiri. Gambar perbedaan memberikan akses langsung ke timbulnya domain magnetik seperti yang ditunjukkan pada gambar. Area kuning sesuai dengan domain dengan magnetisasi antiparalel dengan arah cahaya, sedangkan onbes biru sesuai dengan magnetisasi yang berlawanan. Akhirnya pengukuran telah dilakukan di bawah medan magnet yang diterapkan mengikuti kurva magnetisasi dari lapisan keras dan lunak.

Perhitungan mikromagnetik

Gambar STXM dibandingkan dengan perhitungan mikromagnetik yang dilakukan menggunakan LLG Micromagnetics SimulatorTM 20 dan kode OOMMF 26 (terutama untuk bahan tambahan). Anisotropi uniaksial (NiFe: 4.10 3 erg / cm 3, Co: 3.10 4 erg / cm 3 ) dan bahan magnetisasi (NiFe: 800 emu / cm 3, Co: 1420 emu / cm 3 ) telah diekstraksi dari pengukuran magnetik pada film penuh. Ukuran sel telah dioptimalkan hingga 5 nm, sekitar 50 kali lebih rendah dari ekstensi dinding domain 360 ° yang diamati. Bentuk dan posisi ketidakhomogenan lokal dari lapisan Co referensi telah diekstraksi dari STXM. Ini telah dimodelkan oleh fluktuasi anisotropi dengan nilai konstanta anisotropi yang berbeda. Sudut 50 ° dan nilai anisotropi 8, 10 4 erg / cm 3 telah dipilih karena mereka mereproduksi variasi magnetisasi eksperimental dengan bidang terapan wilayah homogenitas Co (lihat bahan tambahan).

Informasi tambahan

Dokumen Word

  1. 1.

    Informasi tambahan

    Informasi tambahan

Komentar

Dengan mengirimkan komentar Anda setuju untuk mematuhi Ketentuan dan Pedoman Komunitas kami. Jika Anda menemukan sesuatu yang kasar atau yang tidak mematuhi persyaratan atau pedoman kami, harap tandai sebagai tidak pantas.