Przełączanie prądowe magnetyzacji metodą spinowego efektu Halla

Spin-orbit torque (SOT)-induced magnetization switching provides an alternative for non-volatile memory and logic devices. SOT-switching of perpendicular magnetization is usually observed in an external magnetic field collinear with the current, which however, is impractical in RAM technology. Here, I investigate the SOT generated by heavy metal (W), which induces switching of perpendicularly magnetized Co layer in exchange-biased (EB) multilayer structure: W(4.3)/Co(0.5 – 1.5)/NiO(10) (thickness in nm). W and Co layers were deposited by magnetron sputtering in argon atmosphere, whereas the NiO layer was prepared in a separate chamber in oxygen atmosphere using pulsed laser deposition. The in-plane EB at the interface of ferromagnetic Co and antiferromagnetic NiO induces the effective in-plane magnetic field of +10.5 kA/m and leads to deterministic SOT-driven field-free switching. In 10 × 100 μm^2 Hall bars with 0.75 nm thick Co the lowest critical current density of 1 · 10^11 A/m^2 was measured that is three times smaller than in Pt(3)/CoFe(0.9)/IrMn(3)/Pt(1) structure. In addition, in order to determine the spin Hall angle, we measured harmonic Hall voltage and investigated the Spin Hall Magnetoresistance as a function of Co thickness.

Przełączanie prądowe magnetyzacji przy użyciu spinowo-orbitalnego momentu siły (ang. spin-orbit torque, SOT) jest alternatywą dla nieulotnych pamięci RAM oraz urządzeń logicznych. Przełączanie magnetyzacji wykorzystujące SOT, najłatwiej zaobserwować w zewnętrznym polu magnetycznym kolinearnym z przepływającym przez urządzenie lub komórkę pamięci prądem elektrycznym. Przykładanie zewnętrznego pola magnetycznego jest niepraktyczne z punktu widzenia zastosowania w pamięciach RAM. W niniejszej pracy badane jest zjawisko SOT generowane przez metal ciężki (W) indukujące przełączanie warstwy ferromagnetyka (Co), w której występuje jednozwrotowa anizotropia magnetyczna w płaszczyźnie (ang. exchange bias in plane). Przedmiot badań stanowi cienkowarstwowy układ W(4.3)/Co(0.5 – 1.5)/NiO(10) (grubości w nm). Warstwy W i Co naniesione zostały w atmosferze argonu techniką magnetronowego rozpylania katodowego, natomiast warstwę NiO nanoszono w oddzielnej komorze przy użyciu impulsowej depozycji laserowej w atmosferze tlenu. Magnetyczna anizotropia jednozwrotowa w płaszczyźnie występująca na interfejsie pomiędzy warstwami ferromagnetyka Co i antyferromagnetyka NiO indukuje efektywne pole magnetyczne w płaszczyźnie o wartości + 10.5 kA/m, które pozwala na przełączanie prądowe magnetyzacji za pomocą SOT w zerowym zewnętrznym polu magnetycznym. Badane nanourządzenia (paski Halla) o wymiarach 10 × 100 μm^2 z warstwą Co o grubościach w zakresie od 0.69 nm do 1.25 nm wykonano metodami litografii elektronowej i trawienia jonowego. Najmniejsza krytyczna gęstość prądu potrzebna do przełączania warstwy Co o grubości 0.75 nm wynosi 1 · 10^11 A/m^2. Wartość ta jest trzykrotnie mniejsza od gęstości prądu przełączania dla układu Pt(3)/CoFe(0.9)/IrMn(3)/Pt(1). Dodatkowo w celu wyznaczenia spinowego kąta Halla, wykonano pomiary metodą harmonicznych oraz spinowej magnetorezystancji w funkcji grubości warstwy Co.