In situ resistance and magnetoresistance experiments on spin orbit torque systems
Final Report Abstract
Im Projekt wurde eine in-situ Widerstandsmessung an einer Sputteranlage aufgebaut; diese ermöglicht es, während des Wachstums dünner Schichten den Widerstand als Funktion der Schichtdicke mit sehr hoher Auflösung zu messen. Untersuchungsgegenstand waren bzw. sind Schichtsysteme aus schweren, nichtmagnetischen Metallen und metallischen Ferromagneten. Diese zeigen aufgrund des Spin-Hall Effekts des Nichtmagneten bei Strombelastung ein Spin-Orbit Torque Phänomen, d.h. das Schalten der Magnetisierung des Ferromagneten wird durch einen strominduzierten Drehimpuls-Transfer unterstützt. Dieser Effekt ist einerseits wissenschaftlich interessant und hat andererseits auch Anwendungspotenzial in Speichern und Logikbausteinen. Durch die in-situ Messung konnten mehrere bisher schwer zugängliche Fragen beantwortet werden: Die in den Einzellagen herrschenden Stromdichten sind sehr unterschiedlich und weichen z.B. bei W(O) um Größenordnungen von den mittleren Stromdichten ab. - Oxidische Schutzschichten sind sehr oft problematisch. Beim System Ta/TOx und MgOx tritt sogar eine Oxidation des Ferromagneten auf, die dessen Anisotropie stark verändert. - Die β-Phase des W(O) ist nur bis zu Temperaturen um 80⁰C stabil. Bei höheren Temperaturen geht die β- graduell in die α-Phase über, was Auswertungen des Spin-Hall Winkels θ bei hohen Stromdichten durch die Joulsche Erwärmung sehr fragwürdig macht. - Berücksichtigt man die individuellen Stromdichten, dann erhält man für W(O) einen negativen Spin-Hall Winkel mit einem maximalen Betrag von ca. 0.56 (DL) bei Stromdichten um 3 ∙ 10^6 𝐴/𝑐𝑚². Aufgrund der Erwärmung steigt dabei |θ| mit der Stromdichte an. Steigt die Stromdichte weiter, dann wandelt sich die Phase des W(O) und |θ| sinkt auf 0.1 ab. - In den Ta/CoFeB/Pt-Schichten ist der spezifische Widerstand von Ta sehr viel höher als der für Pt. Daher erhält man einen Spin-Orbit Torque praktisch nur für Pt mit einem positiven θ (0.23). - Durch Kombination von W(O) mit CoFeB und Pt ist es bei richtiger Wahl der Schichtdicken (7nm und 3nm) und bei geringen Stromdichten möglich, die Stromverteilungen in den Multilagen so zu gestalten, dass eine höherer effektiver Wert für θ (ca. 0.68) erzielt werden kann. - In Fe/Pd Schichten kann durch XRMR ein eindeutiger Proximity Effekt nachgewiesen werden, d.h. ein durch die Nachbarschaft zu Fe induziertes magnetisches Moment des Pd. Die Stärke des mittleren Moments mPd und die Breite Δ der Pd-Magnetisierungsverteilung lassen sich durch die Präparationsbedingung sehr fein einstellen zwischen ca. 1nm und 2nm für Δ und 0.1µB bis 0.3µB für mPd. Die Werte für Δ stimmen dabei mit den aus den insitu Messungen erhaltenen Breiten von Übergangszonen überein. Bei den Ergebnissen war die große Instabilität der β-Phase des W(O) gegen Temperaturund Strombelastungen überraschend. Auch die Tatsache, dass ein oft als Schutzschicht verwendetes TaOx schon bei der Beschichtung zu einer Oxidation der zu schützenden Schichten führt war nicht erwartet worden. Ähnliche Ergebnisse haben wir auch für MgOx erhalten.
Publications
- Element-Specific Detection of Sub-Nanosecond Spin-Transfer Torque in a Nanomagnet Ensemble. (2020) Nano letters 20 (11): 7828–7834
Emori S, Klewe C, Schmalhorst J-M, Krieft J, Shafer P, Lim Y, Smith DA, Sapkota A, Srivastava A, Mewes C, Jiang Z, Khodadadi B, Elmkharram H, Heremans JJ, Arenholz E, Reiss G, Mewes, T
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01868) - Resistive contribution in electrical-switching experiments with antiferromagnets. (2020) Physical Review Research 2(3): 033077
Matalla-Wagner T, Schmalhorst J-M, Reiss G, Tamura N, Meinert M
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033077) - Silicon-compatible antiferromagnets switch on. (2020) Nature Electronics 3(2): 75-76
Reiss G, Meinert M
(See online at https://doi.org/10.1038/s41928-020-0373-4)
