Тепловые и спин-орбитальные эффекты при действии тока на спиновые клапаны, содержащие слои β-Ta и сплава nifecr

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Для микрообъектов на основе спиновых клапанов наблюдали изменения магнитного состояния под действием кратковременного пропускания постоянного тока. Показано, что при достижении определенной величины плотности тока происходит поворот магнитного момента свободного слоя. Угол поворота возрастает при увеличении плотности тока. Поворот магнитного момента происходит преимущественно за счет теплового действия тока. Обнаружены изменения угла поворота, обусловленные спиновой аккумуляцией в слоях Ta или сплава NiFeCr и передачей спин-орбитального крутящего момента электронов магнитному моменту свободного слоя.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. И. Наумова

Институт физики металлов УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

Р. С. Заворницын

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

М. А. Миляев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

А. А. Гермизина

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

И. К. Максимова

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

Т. А. Чернышова

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

А. Ю. Павлова

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

В. В. Проглядо

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

В. В. Устинов

Институт физики металлов УрО РАН

Email: naumova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Самардак А.С., Давыденко А.В., Стеблий М.Е., Огнев А.В. Топологически нетривиальные спиновые текстуры в тонких магнитных пленках // ФММ. 2022. Т. 123. С. 260–283.
  2. Звездин К.А., Екомасов Е.Г. Спиновые токи и нелинейная динамика вихревых спин-трансферных наноосцилляторов // ФММ. 2022. Т. 123. С. 219–239.
  3. Fert A., Ramesh R., Garcia V., Casanova F., Bibes M. Electrical control of magnetism by electric field and current-induced torques // Rev. Mod. Phys. 2024. V. 96. P. 015005.
  4. Shao Q., Li P., Liu L., Yang H., Fukami S., Razavi A., Wu H., Wang K., Freimuth F., Mokrousov Yu., Stiles M.D., Emori S., Hoffman A., Akerman J., Roy K., Wang J-P., Yang S-H., Garello K., Zhang W. Roadmap of spin-orbit torques // IEEE Trans. Magn. 2021. V. 57. P. 1–39.
  5. Manchon A., Zelezny J., Miron I.M., Jungwirth T., Sinova J., Thiaville A., Garello K., Gambardella P. Current-induced spin-orbit torques in ferromagnetic and antiferromagnetic systems // Rev. Mod. Phys. 2019. V. 91. P. 035004.
  6. Han X., Wang X., Wan C., Yu G., Lv X. Spin-orbit torques: Materials, physics, and devices // App. Phys. Lett. 2021. V. 118. P. 120502.
  7. Velez S., Golovach V.N., Bedoya-Pinto A., Isasa M., Sagasta E., Abadia M., Rogero C., Hueso L.E., Bergeret F.S., Casanova F. Hanle Magnetoresistance in Thin Metal Films with Strong Spin-Orbit Coupling // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. P. 016603.
  8. Li J., Comstock A.H., Sun D., Xu X. Comprehensive demonstration of spin Hall Hanle effects in epitaxial Pt thin films // Phys. Rev. B. 2022. V. 106. P. 184420.
  9. He Z., Zhao Y., Zhao S., Li Y., Liu J., Zha X., Zhao M., Du Y., Wang R., Jiang Y., Zhou Z., Liu M. Enhancing spin-orbit torques with a low voltage in metallic multi-layered heterostructures // J. Appl. Phys. 2023. V. 134. P. 153901.
  10. Wang W., Liu J., Su W., Han Y., Du Q., Wu J., Hu Z., Wang C., Jiang Z., Wang Z., Liu M. Heat-assisted magnetization switching in flexible spin-orbit torque devices // Nano Lett. 2024. V. 24. P. 2003–2010.
  11. Garello K., Miron I.M., Avci C.O., Freimuth F., Mokrousov Y., Blugel S., Auffret S., Boulle O., Gaudin G., Gambardella P. Symmetry and magnitude of spin-orbit torques in ferromagnetic heterostructures // Nat. Nanotech. 2013. V. 8. P. 587–593.
  12. Liu L., Lee O.J., Gudmundsen T.J., Ralph D.C., Buhrman R.A. Current-induced switching of perpendicularly magnetized magnetic layers using spin torque from spin hall effect // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109. P. 096602.
  13. Fukami S., Anekawa T., Zhang C., Ohno H. A spin-orbit torque switching scheme with collinear magnetic easy axis and current configuration // Nat. Nanotech. 2016. V. 11. P. 621–626.
  14. Zhu L., Ralph D.C., Buhrman R.A. Maximizing spin-orbit torque generated by the spin Hall effect of Pt // App. Phys. Rev. 2021. V. 8. P. 031308.
  15. Zhang X., Wan C.H., Yuan Z.H., Zhang Q.T., Wu H., Huang L., Kong W.J., Fang C., Khan U., Han X.F. Electrical control over perpendicular magnetization switching driven by spin-orbit torques // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 174434.
  16. Dai N.V., Thuan N.C., Hong L.V., Phuc N.X., Lee Y.P., Wolf S.A., Nam D.N.H. Impact of in-plane currents on magnetoresistance properties of an exchange-biased spin valve with an insulating antiferromagnetic layer // Phys. Rev. B. 2008. V. 77 P. 132406.
  17. Tang X.L., Zhang H.W., Su H., Jing Y.L., Zhong Z.Y. Changing the exchange bias of spin valves by means of current pulses: Role of the Joule heating // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. P. 073914.
  18. Kang J., Ryu J., Choi J.-G., Lee T., Park J., Lee S., Jang H., Jung Y.S., Kim K.-J., Park B.-G. Current-induced manipulation of exchange bias in IrMn/NiFe bilayer structures // Nature Comm. 2021. V. 12. P. 6420.
  19. Liu L., Pai C.-F., Li Y., Tseng H.W., Ralph D.C., Buhrman R.A. Spin-Torque Switching with the Giant Spin Hall Effect of Tantalum // Sci. 2012. V. 336. P. 555–558.
  20. Inokuchi T., Yoda H., Kato Y., Shimizu M., Shirotori S., Shimomura N., Koi K., Kamiguchi Y., Sugiyama H., Oikawa S., Ikegami K., Ishikawa M., Altansargai B., Tiwari A., Ohsawa Y., Saito Y., Kurobe A. Improved read disturb and write error rates in voltage-control spintronics memory (VoCSM) by controlling energy barrier height // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. P. 252404 (1–4).
  21. Pai C.-F., Liu L., Li Y., Tseng H.W., Ralph D.C., Buhrman R.A. Spin transfer torque devices utilizing the giant spin Hall effect of tungsten // Appl. Phys. Lett. 2012. V 101. P. 122404 (1–4).
  22. Lau Y.-C., Betto D., Rode K., Coey J.M.D., Stamenov P. Spin–orbit torque switching without an external field using interlayer exchange coupling // Nature Nanotechnology. 2016. V. 11. P. 758–763.
  23. Yan S., Chen W., Zhou Z., Li Z., Cao Z., Lu S., Zhu D., Zhao W., Leng Q. Reversal of the Pinning Direction in the Synthetic Spin Valve with a NiFeCr Seed Layer // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 2077.
  24. Bannikova N.S., Milyaev M.A., Naumova L.I., Krinitsina T.P., Patrakov E.I., Proglyado V.V., Chernyshova T.A., Ustinov V.V. NiFeCo/Cu Superlattices with High Magnetoresistive Sensitivity and Weak Hysteresis // Physics of the Solid State. 2016. V. 58. N. 10. P. 2011–2017.
  25. Vas’ko V.A., Kief M.T. Effect of grain size on the properties of the CoFe–NiFe/NiMn top spin valve // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. P. 8409.
  26. An Y., Liu J., Ma Y. Influence of seed layer on structure and magnetic properties of NiFe/PtMn bilayers // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 013905 (1–5).
  27. Bose A., Singh H., Kushwaha V.K., Bhuktare S., Dutta S., Tulapurkar A.A. Sign Reversal of Fieldlike Spin-Orbit Torque in an Ultrathin Cr/Ni Bilayer // Phys. Rev. Appl. 2018. V. 9. P. 014022 (8).
  28. Bleser S.M., Greening R.M., Roos M.J., Hernandez L.A., Fan X., Zink B.L. Negative spin Hall angle and large spin-charge conversion in thermally evaporated chromium thin films // J. Appl. Phys. 2022. V. 131. P. 113904 (1–7).
  29. Qu D., Huang S.Y., Chien C.L. Inverse spin Hall effect in Cr: Independence of antiferromagnetic ordering // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. P. 020418 (R).
  30. Abadias G., Colin J.J., Tingaud D., Djemi Ph., Belliard L., Tromas C. Elastic properties of α- and β-tantalum thin films // Thin Solid Films. 2019. V. 688. P. 137403.
  31. Ellis E.A.I., Chmielus M., Baker Sh.P. Effect of sputter pressure on Ta thin films: Beta phase formation, texture, and stresses // Acta Mater. 2018. V. 150. P. 317–326.
  32. Magnuson M., Greczynski G., Eriksson F., Hultman L., Högberg H. Electronic Structure of b-Ta Films from X-ray Photoelectron Spectroscopy and First-principles Calculations // Appl. Sulf. Sci. 2019. V. 470. P. 607–612.
  33. Наумова Л.И., Заворницын Р.С., Миляев М.А., Девятериков Д.И., Русалина А.С., Криницина Т.П., Павлова А.Ю., Проглядо В.В., Устинов В.В. Гелимагнитная и кристаллографическая текстуры роста нанослоев диспрозия на буферных слоях Co90Fe10, Nb и β-Ta // ФММ. 2023. Т. 124. С. 692–702.
  34. Устинов В.В., Наумова Л.И., Заворницын Р.С., Ясюлевич И.А., Максимова И.К., Криницина Т.П., Павлова А.Ю., Проглядо В.В., Миляев М.А. Размерные эффекты в магнитосопротивлении нанослоев тантала со спин-орбитальным взаимодействием // ЖЭТФ. 2024. Т. 165. С. 114–127.
  35. Devonport A., Vishina A., Singh R.K., Edwards M., Zheng K., Domenico J., Rizzo N.D., Kopas C., van Schilfgaarde M., Newman N. Magnetic properties of chromium-doped Ni80Fe20 thin films // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 460. P. 193–202.
  36. Wu H., Zhang X., Wan C.H., Tao B.S., Huang L., Kong W.J., Han X.F. Hanle magnetoresistance: The role of edge spin accumulation and interfacial spin current // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 174407.
  37. King J.P., Chapman J.N., Kools J.C.S., Gillies M.F. On the free layer reversal mechanism of FeMn-biased spin-valves with parallel anisotropy // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. V. 32. P. 1087–1096.
  38. Kools J.C.S. Exchange-biased spin-valves for magnetic storage // IEEE Trans. Magn. 1996. V. 32 (4). P. 3165–3184.
  39. Kryder M.H., Gage E.C., McDaniel T.W., Challener W.A., Rottmayer R.E., Ju G., Hsia Y.-T., Erden M.F. Heat Assisted Magnetic Recording // Proc. IEEE. 2008. V. 96. N. 11. P. 1810 –1835.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение двухслойной структуры немагнитный металл/ферромагнетик, магнитного момента M, компонент τDL и τFL (а) и соответствующих им эффективных полей HDL и HFL (б). Электрический ток, протекающий в НМ слое вдоль оси x, генерирует спиновый ток вдоль оси z со спиновой поляризацией σ, коллинеарной оси y (σ = ±y).

Скачать (24KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Полевые зависимости продольного (темные символы) и поперечного (светлые символы) электросопротивления пленки сплава [Ni80Fe20]60Cr40 толщиной 3 нм, полученные при температурах 93, 193 и 293 K.

Скачать (42KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Полевые зависимости магнитосопротивления спиновых клапанов Ni–FeCr/NiFe/FeMn/СoFe/Cu/СoFe/[Ta или NiFeCr] с разным составом верхнего защитного слоя.

Скачать (23KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а) Фотография микрообъекта для исследования магнитной структуры; (б) изображения магнитной структуры микрополосок спинового клапана после прохождения тока (слева) и без прохождения тока (справа).

Скачать (21KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости сопротивления спинового клапана после пропускания тока от плотности тока, полученные во внешнем магнитном поле H, равном по величине H1 (а) и H2 (б). Полевые зависимости электросопротивления спинового клапана, измеренные до (светлые круги) и после (темные треугольники) пропускания импульсов постоянного тока (в).

Скачать (27KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Величины углов между магнитным моментом свободного слоя и ООА в зависимости от плотности и направления тока в спиновых клапанах композиции NiFeCr/NiFe/FeMn/СoFe/Cu/ СoFe/NiFeCr (а) и NiFeCr/NiFe/FeMn/СoFe/Cu/ СoFe/Ta (б) с разным составом немагнитного металла в верхнем защитном слое. Светлыми и темными символами показаны зависимости, полученные во внешних полях H1 и H2, противонаправленном и сонаправленном ООА соответственно.

Скачать (32KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимости электросопротивления образца спинового клапана NiFeCr/NiFe/FeMn/ СoFe/Cu/СoFe/NiFeCr от температуры (сплошная линия) и от плотности тока при начальной температуре 203 К и пропускании постоянного тока (символы). Штриховой линией показан результат аппроксимации полиномом второго порядка.

Скачать (17KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схематичное изображение поворота магнитного момента свободного слоя в фиксированном поле H антипараллельном (а, в) и параллельном (б, г) ООА после пропускания тока, сонаправленного (а, б) и противонаправленного (в, г) начальному направлению магнитного момента.

Скачать (41KB)
Метаданные