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Authors: Lo Conte, Roberto
Title: Magnetic nanostructures with structural inversion asymmetry
Online publication date: 5-Feb-2016
Language: english
Abstract: In the attempt of proposing new concepts for more efficient magnetic memories and logic devices, an intense scientific research is conducted in the field of Nanomagnetism and Spintronics. Accordingly, in the recent years a new discovery, going under the name of spin-orbit torques (SOTs), has attracted the attention of the scientific community. SOTs are expected to play a key role in the design of novel and more efficient spintronic devices based on the manipulation of the magnetic texture in ferromagnetic systems by electric currents. The origin of the SOTs is the strong spin-orbit interaction (SOI) in the material systems where such novel torques been observed, i.e. magnetic multilayers of the type: heavy metalferromagnetoxide. Moreover, the structural inversion asymmetry (SIA) characterizing those magnetic heterostructures is the second key factor in the generation of the SOTs. This thesis reports on the observed SOT-driven magnetization manipulation in two different magnetic multilayers: TaCoFeBMgO and PtCoAlOx, employing Kerr microscopy. The two materials systems have an ultra-thin ferromagnetic layer (1 nm for the CoFeB layer, 0.9-1.4 nm for the Co layer) and a spontaneous magnetization pointing out-of-plane. All the investigated material stacks were patterned into 1-1.5 μm-wide, 8-28 μm -long magnetic nanowires (NWs). First, a deterministic current--induced magnetization switching effect is observed in TaCoFeBMgO NWs. The symmetry and the efficiency of the magnetization reversal, due to the injection of current pulses of different lengths and amplitudes, are investigated. The experimental observations are in agreement with the presence of a strong SOT acting on the ferromagnet’s magnetization, which originates from the large spin-Hall effect (SHE) in the Ta layer. Second, current-induced magnetic domain wall motion (CIDWM) is studied in NWs made of TaCoFeBMgO. The observed CIDWM along the conventional current, j, points to SOTs as the driving mechanism. The material system is found to exhibit a positive Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), generated at the TaCoFeB interface. The observed dependence of the CIDWM velocity on an applied longitudinal magnetic field, H_L, is in agreement with the scenario of a SHE-SOT-driven motion of DMI-stabilized right-handed homo-chiral DWs. Furthermore, the Boron is found to play a key role in the definition of the sign of the observed DMI. Finally, fast CIDWM is observed in PtCoAlOx NWs. Here, the influence of the Co thickness, t_Co, on the DW motion is at the center of the study. The general dependence of the DW velocity on j and on H_L is in agreement with the interpretation based on DW moved by the SOT originating from the SHE in the Pt layer. A decrease in the magnitude of the effective negative DMI with an increasing t_Co is extracted, justifying the interpretation based on an interfacial origin for the DMI in our system. Finally, the DW width is observed to play a key role in the definition of the DW velocity dependence on the longitudinal field.
Die Suche nach neuen Konzepten effizienterer magnetischer Speicher und elektronischer Logikbausteine inspiriert schon lange die wissenschaftliche Forschung im Bereich des Nanomagnetismus und der Spintronik. In Folge dessen zieht die Entdeckung der Spin-Bahn-Drehmomente (SBD) seit einigen Jahren große Aufmerksamkeit auf sich. Allen Erwartungen nach werden SBD eine Schlüsselrolle in der Entwicklung neuartiger und effizienterer Spintronikbausteine spielen, die auf der Manipulation magnetischer Texturen in ferromagnetischen Systemen durch elektrische Ströme basieren. Der Ursprung dieser neuartigen SBD ist die Spin-Bahn-Kopplung (SBK) in Materialsystemen wie z.B. magnetische Multilagensysteme der Form SchwermetallFerromagnetOxid. Die zweite Hauptvoraussetzung zur Erzeugung der SBD ist eine strukturelle Inversionsasymmetrie (SIA) in solchen magnetischen Heterostrukturen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Manipulation der Magnetisierung in zwei verschiedenen magnetischen Multilagensystemen durch die SBD: TaCoFeBMgO und PtCoAlOx, gemessen und abgebildet mit der Technik der Kerr-Mikroskopie. Beide Materialsysteme besitzen eine ultradünne ferromagnetische Schicht (1 nm im Falle von CoFeB, 0.9-1.4 nm im Falle von reinem Co), welche spontan senkrecht zur Ebene magnetisiert ist. Die untersuchten Multilagensysteme wurden so strukturiert, dass magnetische Nanodrähte (ND) erhalten wurden mit Breiten von 1-1.5 μm und Längen von 8-28 μm. Zunächst wurde beobachtet, dass sich die Magnetisierung in TaCoFeBMgO ND mit Hilfe eines elektrischen Stroms deterministisch schalten lässt. Die Symmetrie und die Effizienz der Magnetisierungsumkehr wurden als Funktion von Strompulslänge und amplitude untersucht. Die experimentellen Beobachtungen sind in Übereinstimmung mit der Anwesenheit eines starken SBK-Effektes, welcher auf einem großen Spin-Hall Effekt (SHE) innerhalb der Ta-Schicht basiert und auf die Magnetisierung des Ferromagnets einwirkt. Darüber hinaus wurde die durch den elektrischen Strom induzierte Bewegung magnetischer Domänenwände (DW) in ND aus TaCoFeBMgO untersucht. Die beobachtete Domänenwandbewegung entlang konventioneller Stromrichtung, j, deutet auf SBD als treibenden Mechanismus hin. Das Materialsystem zeigt zudem eine positive Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung (DMWW), die durch die TaCoFeB-Grenzfläche entsteht. Die festgestellte Abhängigkeit der Domänenwandgeschwindigkeit vom longitudinal zu den ND angelegten Magnetfeld, H_L, kann erklärt werden durch die Annahme, dass rechtshändige, homo-chirale, DMWW-stabilisierte Domänenwände vorliegen, deren Bewegung durch SHE-SBD hervorgerufen wird. Darüber hinaus, wurde festgestellt, dass Bor eine Schlüsselrolle für das Vorzeichen der beobachteten DMWW spielt. Schließlich wurde eine sehr schnelle Domänenwandbewegung in PtCoAlOx ND beobachtet. In diesem Fall ist der der Einfluss der Co-Schichtdicke, t_Co, der zentrale Gegenstand der Untersuchung. Die generelle Abhängigkeit der DW-Geschwindigkeit von j und H_L ist in Übereinstimmung mit der Interpretation, dass die DW durch die SBD aufgrund des SHE in der Pt-Schicht angetrieben werden. Eine Verringerung der Stärke der effektiven, negativen DMWW mit zunehmendem t_Co konnte extrahiert werden, wodurch die Interpretation des Ursprunges der DMWW an der Schichtgrenzfläche untermauert wird. Schließlich spielt die DW-Breite eine Schlüsselrolle für die Abhängigkeit der DW-Geschwindigkeit vom longitudinal angelegten Feld.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1957
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 183 S.
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