Labai efektyvus sukinio įtampos valdymas ir sustiprinta tarpfazinė statmena magnetinė anizotropija iridžio skystųjų fe / mgo magnetinių tunelių sankryžose | NPP Azijos medžiagos

Labai efektyvus sukinio įtampos valdymas ir sustiprinta tarpfazinė statmena magnetinė anizotropija iridžio skystųjų fe / mgo magnetinių tunelių sankryžose | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Informacijos saugojimas
  • Magnetinės savybės ir medžiagos

Anotacija

Sukimosi įtampos valdymas įgalina tiek nulinę budėjimo būseną, tiek ypač mažą aktyviosios galios sunaudojimą spintroniniuose įrenginiuose, tokiuose kaip magnetoresistorinės laisvosios kreipties atminties įrenginiai. Praktinis būdas pasiekti įtampą yra elektrinis sukimosi – orbitos sąveikos moduliavimas 3-tranzitinio feromagnetinio metalo ir dielektrinių sluoksnių, esančių magnetinio tunelio sankryžoje (MTJ), sąsajoje. Tačiau, norėdami pagerinti tiek įtampos kontroliuojamą magnetinę anizotropiją (VCMA), tiek statmeną magnetinę anizotropiją (PMA), turime inicijuoti naujas medžiagų projektavimo gaires. Čia mes pranešame, kad iridžio atominis masto dopingas ypač ploname Fe sluoksnyje yra labai efektyvus siekiant pagerinti šias savybes Fe / MgO pagrindu pagamintuose MTJ. Buvo gauta iki 3, 7 mJ m − 2 esanti tarpfazinė PMA energija, K i, 0, kuri buvo 1, 8 karto didesnė už grynos Fe / MgO sąsają. Be to, iridžio dopingas davė didžiulį VCMA koeficientą (iki 320 fJ Vm −1 ), taip pat greitą atsaką. Pirmųjų principų skaičiavimai parodė, kad Fe sluoksnyje išsisklaidę Ir atomai vaidina svarbų vaidmenį didinant K i, 0 ir VCMA koeficientą. Šie rezultatai rodo sunkiųjų metalų dopingo efektyvumą feromagnetiniuose sluoksniuose kaip pažangų metodą kuriant didelio tankio įtampą turinčius spintroninius prietaisus.

Įvadas

Spintronic įrenginiai, tokie kaip magnetoresistinis laisvosios kreipties atminties įrenginys, naudojantis MgO pagrindu sukurtą magnetinio tunelio sankryžą (MTJ), 1, 2, tikimasi, kad sumažins būsimų kompiuterinių sistemų budėjimo būseną, naudodamiesi nestabilia magneto savybe. Vis dėlto, norint sumažinti informacijos rašymui reikalingą energiją, iškyla vienas reikšmingas iššūkis: įmagnetinimo perjungimas. Šią problemą sukelia spintroninių prietaisų, veikiančių pagal elektros srovę, veikimas naudojant elektros srovę, naudojant magnetinius laukus, sukimosi sukimo momentą (STT) ir sukimosi sukimosi momentą, pagrįstą sukimosi Hall efektu, o ne elektrinio lauko pagrįstas operacijas. šiuo metu naudojami puslaidininkiniams įtaisams. Pavyzdžiui, naujausi STT magnetoresreziacinės laisvosios kreipties atminties pokyčiai pasiekė ~ 100 fJ bitų rašymo energiją, 3, atitinkančią 10 7 k B T , kur k B yra Boltzmanno konstanta, o T yra temperatūra (manoma, kad 300 K čia). Priešingai, energijai, reikalingai palaikyti magnetinę informaciją, tai yra, šiluminiam stabilumui, yra nuo 60 k B T iki 100 k B T. Šis didelis energijos atotrūkis tarp duomenų rašymo ir išsaugojimo, kurio eiliškumas yra 10 5, daugiausia atsiranda dėl nepageidaujamo energijos suvartojimo, atsirandančio dėl elektrinės srovės srauto Omis. Norint išspręsti šią pagrindinę problemą, reikia vystyti elektromagnetinio lauko manipuliavimą įmagnetinimu.

Tarp įvairių būdų, kaip elektromagnetiškai valdyti magnetizmą, daug dėmesio, kaip perspektyvaus sprendimo, patraukė įtampos valdomas magnetinės anizotropijos (VCMA) efektas 3 d perėjimo ultra plonu feromagnetinio metalo sluoksniu. 5, 6 VCMA efekto pasiekimas MgO pagrįstuose MTJs 7 ir greitojo reagavimo demonstravimas, pavyzdžiui, įtampos sukeltas feromagnetinio rezonanso (FMR) sužadinimas, 8, 9 sukimosi bangos sužadinimas 10 ir dinaminis įmagnetinimo perjungimas, 11, 12, 13, 14 atnešė didelių pokyčių šios srities tyrimuose. Taip pat pademonstruoti Curie temperatūros, 15 domenų sienos sklidimo, 16, 17 sąsajų tarp Dzyaloshinskii ir Moriya sąveikos 18 ir artumo sukeltų magnetizmų 19 modeliai. Šie rezultatai parodo, ar įmanoma sukurti įtampos varomus spintroninius įtaisus, tokius kaip įtampos sukimo momento magnetoresreziacinės laisvosios kreipties atminties įtaisai. 20

VCMA efektas stebimas ypač plonų feromagnetinių metalų ir dielektrinių sluoksnių sąsajoje. Šį poveikį gali sukelti grynai elektroninis poveikis ir cheminis ar mechaninis poveikis. Fiziškai grynai elektroninio VCMA efekto mechanizmai buvo aiškinami kaip elektroninės struktūros modifikavimas sąsajoje per akumuliacinį / išeikvojamą krūvį, 21, 22, 23, elektrinio lauko sukeltą magnetinį dipolį 24 arba Rashba efektą. 25 Cheminis poveikis, toks kaip įtampos sukelta redokso reakcija, 26 ar kitoks elektromigracijos 27 arba krūvio sulaikymo 28 efektas, gali parodyti reikšmingą kelių tūkstančių fJ Vm −1 VCMA koeficientą, kuris apibūdinamas kaip indukuota paviršiaus anisotropija. energijos pokytis elektrinio lauko vienete. Tačiau šie mechanizmai turi riboto veikimo greičio ir rašymo ištvermės trūkumų. Priešingai, grynai elektroniniams VCMA efektams jau buvo įrodytas greitas reagavimas su mažesne nanosekundės trukme. Tačiau šiuo metu pasiekta grynai elektroninio efekto VCMA koeficiento amplitudė esant greitajai reakcijai yra nepakankama (~ 100 fJ Vm −1 ). 29, 30 Pavyzdžiui, norint pakeisti plėvelės įmagnetinimą, naudojant efektyvią statmenos magnetinės anizotropijos (PMA) energiją 0, 2–0, 5 ir 0, 5–2, 0 mJ m −2, kuri atitinka talpyklos ir pagrindinės atminties taikinius, reikia VCMA koeficientų. viršijant atitinkamai 200–500 fJ Vm −1 ir 500–2000 fJ Vm −1, darant prielaidą, kad elektrinis laukas yra 1 V nm −1 (žr. papildomą informaciją S1). Kadangi grynai elektroninis VCMA efektas atsiranda dėl sąsajos elektroninės struktūros modifikavimo, kaip minėta aukščiau, sąsajos magnetinės anizotropijos patobulinimas, K i, 0, gali būti pagrindinė gairė norint sustiprinti ir PMA, ir VCMA efektus.

Pirmųjų principų skaičiavimai numato, kad panaudojant stiprią sunkiųjų metalų sukimosi – orbitos sąveiką šios savybės sustiprės. 23, 31 Buvo pranešta apie keletą eksperimentinių sąsajų inžinerijos bandymų įdedant sunkiųjų metalų į „CoFe“ pagrindu sukurtą filmo / MgO sąsają; tačiau dar nebuvo pasiektas didelis VCMA koeficientas, viršijantis 100 fJ Vm −1 su padidinta sąsajos PMA. 30, 32, 33 iridis (Ir) yra perspektyvus kandidatas šiam tikslui pasiekti, nes jo didžiulė sukasi – orbitos jungties konstanta yra daugiau nei 10 kartų didesnė už geležies ir kobalto. 31 Pvz., Pranešta apie daugiasluoksnius Ir / Co (111) ryškius PMA, turinčius teigiamą K i, 0 vertę 1, 5 mJ m –2 . 34 Vis dėlto nėra lengva tiesiogiai pritaikyti šią sąsają įtampos varomame MgO MTJ, nes nesuderinta sąsajos juosta tarp Co (111) ir MgO (001) pablogina nuoseklias tuneliavimo savybes. Šiame tyrime mes pademonstravome, kad „Ir-doped“ ypatingai plono Fe (001) sluoksnio įvedimas gali būti naudojamas kaip naujas būdas pagerinti paviršinio paviršiaus PMA ir VCMA efektus Fe / MgO MTJ.

Eksperimentinės procedūros

Daugiasluoksnės struktūros, susidedančios iš MgO sėklų (3 nm) / Cr buferio (30 nm) / ypač plono Fe ( t Fe ) / Ir dopingo sluoksnio ( t Ir ) / MgO (2, 5 nm) / viršutinių elektrodų, buvo paruoštos ant MgO (001) substratų molekulinės pluošto epitaksijos ir purškimo būdų derinys. MgO (001) sėklos ir Cr (001) buferio sluoksniai buvo nusodinti 200 ° C temperatūroje, po to atkaitinti 800 ° C temperatūroje. Itin plonas Fe (001) sluoksnis buvo auginamas 200 ° C temperatūroje ir atkaitinamas 260 ° C temperatūroje. Po to, kai substratas atvėso, Ir dopingo sluoksnis ir MgO (001) barjeras buvo nusodinti kambario temperatūroje, po to atkaitinti 350 ° C temperatūroje. MgO paviršius buvo uždengtas dulkių pavidalo 30 nm storio ITO elektrodu, kad būtų galima įvertinti magnetines savybes, arba 30 nm storio Cr, kad būtų galima nuskaityti perdavimo elektronų mikroskopiją. VCMA eksperimentams 10 nm storio Fe viršutinis elektrodas buvo nusodinamas 200 ° C temperatūroje, po to uždenkant Ta / Ru sluoksniais. Nominalusis Fe ir Ir storis buvo kinta atitinkamai atitinkamai 0, 5 nm ≤ t Fe ≤1, 4 nm ir 0 ≤ t Ir ≤ 0, 15 nm diapazonuose.

MTJ įtaisai buvo paruošti įprastu optiniu litografijos, jonų malimo ir pakėlimo būdu. Sankryžos skerspjūvio plotas buvo 2 × 6 μm 2 . MTJ atsparumo srities sandauga buvo suprojektuota taip, kad būtų ~ 600 kΩ μm 2 . Dėl aukšto mėginio pasipriešinimo maksimalus srovės tankis, tekantis MTJ, naudojant maksimalią šališkumo įtampą (± 800 mV), buvo ~ 1 × 10 2 A cm −2, o tai yra pakankamai maža, kad būtų pašalinta elektros srovės įtaka. indukuotas sukimo momentas, toks kaip srovės sukeltas magnetinis laukas arba STT.

Rezultatai ir DISKUSIJA

Tarp Fe ir MgO sluoksnių buvo įdėtas ypač plonas Ir dopingo sluoksnis. Tačiau mes nustatėme, kad Ir atomai buvo pasklidę Fe sluoksnyje per difuzijos procesą po MgO sluoksnio atkaitinimo. 1a ir b paveiksluose pavaizduotas paruoštų sankryžų ir padidinto kampo žiedinio tamsaus lauko nuskaitymo perdavimo elektronų mikroskopijos padidinto ploto, padaryto padidinto ploto Fe sluoksnyje, pavyzdys, kai t Fe = 1, 0 nm ir t Ir = 0, 05 nm, schematiškai parodyta 1 pav. . Atominio masto Z kontrasto aukšto kampo žiedinio tamsaus lauko nuskaitymo perdavimo elektroninės mikroskopijos vaizdavimas leido identifikuoti difuzinius Ir atomus kaip ryškias dėmeles, nurodytas geltonomis rodyklėmis. Kaip matyti iš 1c paveiksle pavaizduotų energiją skleidžiančių rentgeno spindulių spektroskopijos elementų atvaizdų Cr, Mg, Fe ir Ir, aiškiai patvirtinama Ir atomų sklaida į ypač ploną Fe sluoksnį. Šis rezultatas taip pat išaiškinamas 1d paveiksle pavaizduotame intensyvumo profilyje, kur kiekvieno elemento signalo intensyvumas buvo sureguliuotas taip, kad būtų užtikrintas profilių formų matomumas. Pažymėtina, kad 1d pav. Fe ir Ir intensyvumo profilių formos yra beveik vienodos, tai rodo gana vienodą FeIr kietą tirpalą. 1e paveiksle pateiktas aukšto kampo žiedinis tamsaus lauko nuskaitymo perdavimo elektronų mikroskopijos vaizdas ir nanospindulio elektronų difrakcijos schema rodo, kad Fe pakaitomis keičiami Ir atomai, išreikšti bcc-Fe (taip pat žr. Papildomą informaciją S2). Apytiksliai apskaičiuota, kad Ir koncentracija yra tarp 6 ir 15%, kai t Ir = 0, 05 nm, ir 12–21%, kai t Ir = 0, 15 nm.

Image

a ) Paruoštos sankryžos struktūros schema. Ir-disperguotas ypač plonas Fe sluoksnis buvo suformuotas difuzijos būdu atkaitinant iš Fe / Ir dvisluoksnės struktūros (išsamią informaciją skaitykite pagrindiniame tekste). b ) Atomo mastelio Z kontrasto aukšto kampo žiedinės tamsiosios srities skenavimo perdavimo elektroninės mikroskopijos (HAADF-STEM) vaizdas, sudarytas iš Ir-legiruoto Fe sluoksnio. Pakaitinis Ir dopingas bcc-Fe (001) sluoksnyje patvirtinamas, kaip rodo geltonos rodyklės. c ) Skerspjūvio energijos dispersinės rentgeno spektroskopijos (EDS) žemėlapiai ir ( d ) Cr, Mg, Fe ir Ir elementų intensyvumo profiliai, skirti Cr (30 nm) / Fe (1, 0 nm) / Ir (0, 05 nm) / MgO (2, 5 nm) / Cr dangtelio struktūra. e ) nanodalelių elektronų difrakcija, paimta iš ypač plono Fe sluoksnio.

Visas dydis

Sistemos magnetinės savybės buvo apibūdintos magnetooptiniu Kero efekto matavimais. 2 paveiksle pavaizduotos magnetinės histerezės kilpos ne plokštumos kryptimi, išmatuotos poliarne magnetooptiniu Kero efekto matavimais kaip t Fe funkcija skirtingiems Ir dopingo sluoksnių storiams. Kaip parodyta 2a paveiksle, mes pažymėjome, kad Cr / Fe / MgO PMA yra t Fe diapazone nuo 0, 5 iki 0, 9 nm; šis rezultatas priskiriamas Fe / MgO sąsajų anizotropijai. 35, 36 Nustatytas 0, 9 nm kritinis Fe storis, dėl kurio vyksta sukimosi perorientavimas (SRT) iš plokštumos į plokštumą. Itin plonas Fe sluoksnis daro didelę įtaką sistemos magnetinėms savybėms, kaip parodyta 2b ir d paveiksluose. Svarbiausias pastebėtos tendencijos aspektas yra tai, kad lengvoji plokštuma, esanti plokštumoje, stabilizuojasi net ir storesniuose Fe sluoksniuose, naudojant dopingą.

Image

Poliarinės magnetinės optinės Keros efekto (MOKE) histerezės kreivės priklausomybė nuo storio struktūroms ( a ) be Ir, b ) kai t Ir = 0, 05 nm, c ) kai t Ir = 0, 10 nm ir ( d ) su t Ir = 0, 15 nm.

Visas dydis

Pirmiausia labai ploniems Fe sluoksniams buvo pažymėtos nulinės remanencijos kilpos polinėms konfigūracijoms, o tai rodo, kad labai ploniems Fe sluoksniams vyrauja anisotropija (taip pat žr. Papildomą informaciją S3). Pasirodžius visiškajai remanencijai statmenoje konfigūracijoje, ty lengvai plokštumoje esančioje magnetinėje ašyje, iš plokštumos į plokštumą, buvo pastebėta SRT. Mėginiui, kuriame yra dopingo, galima apibrėžti du kritinius storius: pirma, t Fe, SRT1, kur SRT iš plokštumos į plokštumą nukreipiama didėjant t Fe, o antra, t Fe, SRT2, virš kurio Fe sluoksnio įmagnetinimas yra išlygintas išilgai lengvos Fe [001] plokštumos kryptimi. Fe storio diapazonas, kuriam pasireiškia statmena įmagnetinimo kryptis, pasislenka link storesnio diapazono, kai Ir storis padidėja nuo 0, 05 nm iki 0, 15 nm. Pavyzdžiui, nors t Fe, SRT1 = 0, 6 nm ir t Fe, SRT2 = 1, 05 nm buvo pažymėti t Ir = 0, 05 nm, o t Fe, SRT1 = 0, 9 nm ir t Fe, SRT2 = 1, 25 nm buvo užregistruoti t Ir = 0, 15 nm. Šie rezultatai rodo, kad storesnių Fe plėvelių PMA efektus sustiprino Ir dopingas.

Mes ištyrėme sistemos magnetines savybes kiekybiškai, atlikdami papildomus matavimus, naudodami superlaidžiojo kvantinio trukdžių prietaiso magnetometrą. Tolesnėje diskusijoje daroma prielaida, kad 0, 09 nm storio efektyvusis negyvasis magnetinis sluoksnis ( t d ) gali būti įvertintas pagal magnetinio momento priklausomybę nuo vardinio Fe storio (žr. Papildomą informaciją S4). Td egzistavimas daugiausia priskiriamas sumaišymui Cr / Fe sąsajoje; 36, 37, nepastebėta aiškių t d pokyčių keičiant įterptą Ir storį. 3a paveiksle parodyta soties įmagnetinimo ( MS) priklausomybė nuo fiksuoto t Fe = 1, 0 nm. Mes manėme, kad bendras laisvojo sluoksnio storis yra t bendras = t Fe + t Ir - t d . Dėl dopingo vartojimo monotoniškai sumažėjo M S vertė. Taip pat rentgeno spinduliuotės absorbcijos spektroskopijos ir XMCD matavimais patvirtinome indukuotą magnetinį momentą Ir, kurio sukimosi momentas lygiagretus Fe, (žr. Papildomą informaciją S5).

Image

a ) Ir dopingo sluoksnio storis, t Ir, prisotinimo įmagnetinimo verčių priklausomybė fiksuotai t Fe = 1, 0 nm. b ) Bendrosios K eff t sumos priklausomybės sankryžoms su įvairaus Ir laipsnio storiu. Spalvoti apskritimai žymi duomenis, gautus atlikus superlaidžiojo kvantinių trukdžių įtaiso (SQUID) matavimus. Raudoni kryžiai parodo įvertintą K eff t sumą iš polinių-MOKE matavimų, kai plonesnis Fe režimas, kai t Ir = 0, 05 nm. Užpildytos žvaigždės ir atviri juodi apskritimai rodo TMR matavimų rezultatus, gautus atitinkamai pagal pavyzdžius, kurių t Ir = 0, 05 nm, ir be Ir vertės. c ) tarpfazinės magnetinės anizotropijos t Ir vertės, K i, 0 ir tūrinės magnetinės anizotropijos, K V. Linijos yra vadovas akiai.

Visas dydis

3b paveiksle pavaizduotos K eff t suminės priklausomybės nuo t sumos, gautos t Ir = 0, 05 nm (raudoni taškai) ir 0, 15 nm (mėlyni atviri apskritimai), kur efektyviosios anizotropijos konstantos ( K eff ) buvo išgautos iš superlaidžių kvantinių trukdžių. prietaisų matavimai. Palyginimui, Cr / Fe / MgO struktūros (atvirų juodų apskritimų) duomenys taip pat parodyti tame pačiame grafike. 36 Čia taip pat parodytos visos K eff t vertės (raudoni kryžiai), apskaičiuotos pagal magneto-optinio Kerio efekto histerezės kilpas plonesniuose Fe diapazonuose, kai t Ir = 0, 05 nm. Teigiamos K eff t bendrosios vertės parodo magnetinės lengvosios ašies plokštumą. Efektyviosios magnetinės anizotropijos energijos (MAE) tankis, K eff, gali būti išreikštas fenomenologine išraiška,

Image

kur K V ir M S yra atitinkamai tūrio anizotropija ir prisotinimo magnetizacija. Grafike K efft sumą išreiškiant kaip t bendrojo skaičiaus funkciją, K i, 0 ir K V gali būti įvertinti atitinkamai pagal y- tarpą ir nuolydį. Ir dopingo sluoksnio storio priklausomybės nuo K i, 0 ir K V apibendrintos 3c paveiksle. Kai t Ir = 0, 05 nm, gaunama ypač didelė K i, 0 vertė - 3, 7 ± 0, 2 mJ m −2 . Ši vertė yra ~ 1, 8 karto didesnė, nei stebėta gryno / MgO sąsajoje (2, 0 mJ m −2 ). 35, 36 Toliau vartojant Ir, ši vertė sumažėja; tačiau net ir tada, kai t Ir = 0, 15 nm, K i, 0 reikšmė vis tiek yra didesnė nei mėginio, kuriame nėra dopingo, vertės. Reikėtų pabrėžti, kad Cr / Ir-doped Fe sąsajoje nepastebėta jokio PMA (žr. Papildomą informaciją S6), panašią į Cr / Fe struktūrą. 36 Taigi stebima didelė K i, 0 reikšmė daugiausia gaunama iš viršutinės Ir-legiruoto Fe / MgO jungties.

Mes atlikome pirmuosius principinius tankio-funkcinius skaičiavimus (išsamiau apie skaičiavimo sąlygas skaitykite papildomoje informacijoje S7), kad geriau suprastume stebimą padidėjimą K i, 0 . Tarpfazinė magnetinė anizotropija Fe (Co) / Ir daugiasluoksnėse struktūrose aptarta ankstesniuose darbuose; 31, 38, 39, tačiau PMA, sukelta juostų hibridizacijos tarp Fe, Ir ir MgO, turėtų būti labai jautri juos supančiai aplinkai. Čia siekėme išsamesnio palyginimo su eksperimento rezultatais, įvertindami realią Ir-skiedinio ypač plonojo Fe / MgO sąsajos struktūrą, kad paaiškintume apie difuzinių Ir-atomų vaidmenį.

Pagrindinės skaičiavimams naudotos struktūros buvo A struktūra [MgO / Fe / MgO] ir B struktūra [MgO / FeIr / MgO], kaip parodyta 4a paveiksle ir 1 lentelėje, kur kiekvieno sluoksnio storis buvo pritvirtintas penkiais monosluoksniais (ML). . Esant tokiam Fe storiui, mes pastebėjome stiprų PMA padidėjimą, kai 0, 05 nm storio Ir buvo įterpta į Fe / MgO sąsają. Taigi Ir koncentracija B struktūroje buvo fiksuota iki 6, 25%. Taip pat mes ištyrėme Iro atomų padėties įtaką MAE, įvertindami nevienodą Ir dispersiją C struktūroje [MgO / FeIr (1ML) / Fe (3ML) / FeIr (1ML) / MgO] ir D struktūrą). [MgO / Fe (1ML) / FeIr (1ML) / Fe (1ML) / FeIr (1ML) / Fe (1ML) / MgO]. Ir koncentracija buvo palaikoma 6, 25% kiekviename FeIr sluoksnyje C ir D struktūrose. 1 lentelėje apibendrintas apskaičiuotas kiekvienos struktūros PAV. Pažymėtina, kad atliekant skaičiavimus daromos dvi sąsajos su MgO. Taigi gauta vertė turėtų būti sumažinta perpus, kai svarstoma viena sąsaja. Apskaičiuota, kad gryno Fe / MgO (A struktūros) PAV yra 3, 13 mJ m −2 . Kai Ir buvo tolygiai pasiskirstęs Fe sluoksnyje (B struktūra), MAE padidėjo iki 3, 46 mJ m −2 . Įdomu tai, kad naudodami MgO / Fe / FeIr sąsają (D struktūra), mes gavome didelį MAE patobulinimą iki 4, 72 mJ m −2, tai yra ~ 1, 5 karto daugiau nei grynos Fe / MgO sąsajos rezultatas. 4b paveiksle parodytas kiekvienos struktūros sluoksniu išspręstas MAE. Pastebėtina, kad patobulintą sąsajos MAE galima priskirti antrajam ir trečiajam sluoksniams, taip pat pirmajam sąsajos sluoksniui, esančiam greta MgO. Priešingai, kai Ir atomai susitelkia ties sąsaja su MgO, MAE sumažėja. Šis rezultatas paaiškinamas sumažėjusiu tarpfaziniu MAE IR atomų (0, 16 meV vienam atomu) palyginimui su Fe atomų (0, 60 meV už atomo). Mes taip pat apskaičiavome formavimo energiją, susijusią su Ir-disperguotos Fe / MgO sąsaja, palyginti su biria Ir ir nedopifikuota Fe / MgO sąsaja. Nustatyta, kad Fe / MgO sąsajos su FeIr sluoksniais, įterptais į antrąjį ir trečiąjį sluoksnius, formavimo energijos yra atitinkamai 72, 8 meV / Ir atomo ir 10, 7 meV / Ir atomo. Šios vertės yra daug mažesnės už rezultatus, gautus naudojant „Ir-doped-Fe / MgO“ sąsają (199 meV per Ir atomą), kas rodo, kad Ir labiau linkęs difuzuoti į Fe sluoksnį, o ne atsiriboti nuo Fe / MgO sąsajos. Todėl papildomas MAE iš Ir atomų, difuzinių į Fe sluoksnį, vaidina svarbų vaidmenį didinant K i, 0 . Įprastos idėjos rodo, kad sąsajoje PMA dominuoja pirmasis monoatomų sluoksnis; tačiau šis tyrimas rodo, kad medžiagų dizainas, naudojant sunkiųjų metalų dopingą antrame ir trečiame sluoksniuose, siūlo naujus metodus, kaip pagerinti tarpfazinį PMA.

Image

Pirmasis principas - magnetinės anizotropijos energijos (MAE) apskaičiavimas Ir-skiedinio Fe / MgO sistemoje. a ) Super ląstelės struktūra, naudojama apskaičiuojant MgO (5ML) / FeIr (5ML) / MgO (5ML) struktūrą. ( b ) A struktūros (MgO / Fe (5ML) / MgO), B sluoksnio išskiriamas MAE, B struktūros (MgO / FeIr (5ML) / MgO), C struktūros (MgO / FeIr (1ML) / Fe (3ML) / FeIr (1ML) / MgO) ir D struktūra (MgO / Fe (1ML) / FeIr (1ML) / Fe (1ML) / FeIr (1ML) / Fe (1ML) / MgO). Ir koncentracija kiekviename FeIr sluoksnyje buvo palaikoma 6, 25%.

Visas dydis

Pilno dydžio lentelė

Tūrinės anizotropijos terminui K V mes nustatėme didelę neigiamą vertę (–2, 0 ± 0, 2) × 10 6 J m – 3, kai t Ir = 0, 05 nm. Atliekant šį vertinimą, iš M S vertės buvo įvertinta magnetostatinė energija –1, 6 × 10 6 J m – 3 . Galimas didelio neigiamo K V veiksnys yra Ir dispersijos sukeltas gardelės išsiplėtimas. Didelė neigiama K V vertė lėmė staigų bendro PMA sumažėjimą, padidėjus t sumai, nepaisant didelės K i, 0 vertės. Todėl neigiamas K V slopinimas yra kitas svarbus iššūkis norint gauti labai efektyvią PMA energiją tiksliniame Fe storyje.

Mes taip pat pastebėjome, kad sumažėjo viso plonesniojo t kiekis PMA. Viena iš galimų šio rezultato priežasčių yra plonesnių Fe sluoksnių padidėjusi Ir koncentracija arti sąsajos, dėl kurios, remiantis pirmojo principo skaičiavimais, turėtų sumažėti PMA. Mes taip pat galėjome patirti sumaišymo tarp Ir-disperguoto Fe ir Cr, 37 poveikį, kuris gali pakeisti tiek sąsajos, tiek tūrio įnašą į magnetinę anizotropiją šioje sistemoje, kaip aptarta su Cr / Fe / MgO struktūra.

Toliau buvo atlikti VCMA eksperimentai, naudojant MTJ struktūras. Šiuose eksperimentuose mes sutelkėme dėmesį į mėginį, kurio t Ir = 0, 05 nm, kuris parodė aukščiausią K i, 0 vertę. Čia t Fe svyravo tarp 0, 5 ir 0, 8 nm, kur buvo tvirtai patvirtinta lengva plokštumos ašis. Viršutinis 10 nm storio Fe sluoksnis veikė kaip atskaitinis sluoksnis, turintis plokštumoje esančią magnetinę lengvą ašį. Du feromagnetiniai sluoksniai turėjo stačiakampę įmagnetinimo konfigūraciją esant nulio stiprio magnetiniam laukui. Taikant plokštumoje esantį magnetinį lauką H ex, pakreiptas ypač plonojo Ir-legiruotojo Fe laisvojo sluoksnio įmagnetinimas plokštumos kryptimi. Šis elgesys buvo pastebėtas kaip laipsniškas atsparumo sumažėjimas dėl tunelinio magnetovaržios (TMR) efekto, kaip parodyta brėžiniuose 5a paveiksle. Visa bendra TMR kreivių priklausomybė taip pat parodyta 5a paveiksle. Čia TMR kreivės buvo normalizuotos pagal maksimalų ( H ex = 0) ir mažiausią ( H ex = –2 T) pasipriešinimą, kad būtų galima sutelkti dėmesį į sodrumo savybės pokytį. Soties laukas, atspindintis efektyvią PMA, padidėjo didėjant t sumai . Ši tendencija atitinka rezultatus, gautus atlikus superlaidžių kvantinių trukdžių įtaisų matavimus, kaip parodyta juodosiomis žvaigždėmis 3b paveiksle.

Image

a ) laisvojo sluoksnio storis, bendras t , normalizuotų TMR kreivių, išmatuotų taikant plokštumoje magnetinį lauką, priklausomybė. b ) Normalizuotų TMR kreivių priklausomybė nuo įtampos įtampos MTJ, kai t bendra = 0, 82 nm. c ) Taikoma Cr / Ir-legiruotų Fe (0, 82 nm) / MgO (raudonų taškų) ir Cr / Fe (0, 44) / MgO struktūrų (atvirų apskritimų) priklausomybė nuo bendro K eff t bendrojo elektrinio lauko. d ) laisvojo sluoksnio storis, t bendras, VCMA koeficiento (raudonų taškų), įvertintų nuo nuolydžio teigiamos elektrinio lauko kryptimi, ir K eff t bendrųjų verčių (mėlynų taškų) priklausomybė.

Visas dydis

5b paveiksle pateiktas normalizuotų TMR kreivių ( t bendras = 0, 82 nm), išmatuotų veikiant pakreipimo įtampai V b, pavyzdys. Vb kinta nuo –0, 8 V iki +0, 8 V. Vb poliškumas buvo apibrėžtas viršutinio Fe sluoksnio atžvilgiu. . Stebimi aiškūs soties lauko poslinkiai, atsižvelgiant į Vb amplitudę. Teigiamų ir neigiamų Vb verčių taikymas atitinkamai sąlygoja elektronų kaupimąsi ir išeikvojimą MgO sąsajoje, atitinkamai sukeliant PMA sumažėjimą ir padidėjimą. Stebimas ženklas atitiko įprastą VCMA efektą, stebimą Fe pagrindu pagamintų lydinių / MgO sankryžose. 4, 5, 6

Kadangi tunelinio laidumo koeficientas priklauso nuo santykinio kampo ( θ ) tarp dviejų magnetinių sluoksnių, ultra plonojo Ir-sudarytojo Fe sluoksnio įmagnetinimo plokštumoje komponento ( M plokštumoje ) ir jo prisotinimo įmagnetinimo ( M S ) santykis. gali būti apskaičiuojamas pagal šį santykį: 36

Image

kur R P ir R 90 yra atitinkamai MTJ varžos lygiagrečios ir stačiakampės konfigūracijose. Čia R ( θ ) yra MTJ pasipriešinimas, kai ypač plono Ir-disperguoto Fe sluoksnio įmagnetinimas yra pasviręs plokštumos kryptimi kampu θ nuo plėvelės plokštumos, pagal pritaikytą plokštumoje magnetinį lauką. Mes apskaičiavome efektyviąją PMA energiją, K eff, esant kiekvienai Vb sąlygai, sujungdami normalizuotas M - H kreives su M S vertėmis, gautomis iš superlaidžių kvantinių trukdžių matavimo prietaisų.

5c paveiksle pavaizduotos taikomosios MT efekto suminės elektrinio lauko priklausomybės (raudoni taškai), kai t bendra = 0, 82 nm. Taikomasis elektrinis laukas E , apibūdinamas kaip E = Vb / t MgO, kinta nuo –320 iki +320 mV nm –1 . Didžiausio VCMA efekto, stebimo Cr / Fe ( t Fe = 0, 44 nm) / MgO struktūroje, rezultatas taip pat parodytas 5c paveiksle (atviri apskritimai) palyginimui. Be dominuojančio tiesinio termino, skirto Ir-lepintu Fe, mes radome nedidelį kvadratinį terminą. MTJ, kurių atsparumo plotas yra mažas, elektros srovės sukeltas šildymas arba STT gali sukelti kvadratinį elgesį; tačiau šios priežasties mūsų pavyzdyje nėra dėl pakankamai aukštos pasipriešinimo ploto vertės. Be to, STT pirmenybę teiktų lygiagrečiai įmagnetinimo konfigūracijai esant neigiamam poslinkio įtampai mūsų eksperimentinėje konfigūracijoje, dėl kurios sumažėtų sodrumo laukas. Tai yra priešinga tendencija, pastebėta mūsų eksperimente. Todėl mes galime neįtraukti įtakos nuo srovės sukelto sukimo momento, o stebima VCMA efekto tendencija gali būti susijusi su vidine elektronine struktūra Ir-doped Fe / MgO sąsajoje.

Norint pasiekti statmenai įmagnetinto laisvojo sluoksnio 11, 12, 13, 14 įtampos sukeltą dinaminį įmagnetinimą, perjungimo metu reikia atšaukti efektyvią PMA; todėl VCMA efekto ženklas, sukeliantis PMA sumažėjimą, yra technologiškai svarbus. Ankstesniame mūsų tyrime mes pastebėjome didelį 290 fJ Vm –1 VCMA koeficientą Cr / Fe / MgO MTJ, kaip parodyta atviruose apskritimuose 5c paveiksle. 36 Tokiu atveju, naudojant neigiamą šališkumo įtampą, buvo pasiektas tik PMA padidėjimas. Be to, nebuvo visiškai patvirtinta greitojo veikimo galimybė. Atvirkščiai, šiame tyrime labai sumažėjo PMA esant teigiamo šališkumo įtampos sąlygoms. Stebina, kad tokia maža Ir dopingo koncentracija sukėlė drastiškus VCMA savybių pokyčius; šis rezultatas rodo, kad VCMA poveikis yra kontroliuojamas sunkiųjų metalų dopingu. Remiantis tiesiniu pritaikymu teigiamo poslinkio kryptimi, buvo nustatyta, kad VCMA koeficientas yra 320 fJ Vm −1 MTJ, kai t = 0, 82 nm (raudona linija 5c paveiksle).

VCMA koeficiento priklausomybė nuo laisvojo sluoksnio storio ( viso t ) teigiamo poslinkio kryptimi ir visos K efft vertės yra apibendrintos 5d paveiksle. Pastebėta aiški VCMA koeficiento priklausomybė nuo Fe storio. K eff t bendrosios vertės taip pat rodo panašią tendenciją; K eff t bendra vertė didėja didėjant t sumai . Kadangi VCMA koeficientas išreiškia anizotropijos energijos pokyčio, išreikšto elektrinio lauko vienetu, ploto tankį, tikimasi, kad šis koeficientas nepriklausys nuo feromagnetinio sluoksnio storio. Šis lūkestis kyla dėl paprasto svarstymo, pagrįsto nešiklio sukeltu poveikiu sąsajoje. Tačiau pastebėti rezultatai rodo, kad VCMA koeficientas yra teigiamai koreliuojamas ne su K i, 0, o su K eff t bendra . Esant tokiam ypač plono storio režimui, elektroninė struktūra gali būti labai priklausoma nuo storio ir gali pakeisti VCMA efektą. 40 Be to, deformacijos sukeltos elektroninės struktūros modifikacijos gali būti susijusios su pastebėta stipria Fe storio priklausomybe; Todėl dirbtinis tikslus šių savybių valdymas taip pat gali dar labiau pagerinti VCMA savybes. Reikėtų pabrėžti, kad didelio VCMA koeficiento ir aukštos efektyviosios PMA vertės suderinamumo užtikrinimas yra pagrindinis praktinio taikymo aspektas (žr. Papildomą informaciją S1).

Greitojo reagavimo demonstravimas yra svarbus norint parodyti, kaip praktiškai įmanoma naudoti Ir / Leped Fe / MgO struktūrą. Tuo tikslu mes atlikome įtampos sukeltą FMR eksperimentą, naudodami homodino aptikimo metodą, naudodamiesi TMR efektu (išsamiau žr. Skyrių „Metodai“ ir „Nozaki et al. 8 “). Norėdami efektyviai sužadinti FMR dinamiką, mes panaudojome MTJ, kai t = 0, 49 nm, o tai artima kritiniam SRT storiui ( t Fe, SRT1 ), kai t Ir = 0, 05 nm. Įtampos sukelto FMR signalo amplitudė yra proporcinga cos θ M sin 2 θ M, kur θ M yra įmagnetinimo aukščio kampas nuo plėvelės plokštumos. 8 Šios funkcijos maksimali vertė yra at M = 55 °. Netoli t Fe, SRT1, magnetizacija gali būti lengvai nukreipta išilgai išorinio magnetinio lauko dėl mažo efektyvaus anizotropijos lauko. Tada mes pritaikėme išorinį magnetinį lauką, kurio pakilimo kampas θ H = 55 °, kad padidintume išėjimo signalą. Plokštuminis H ex komponentas buvo pritvirtintas lygiagrečiai su pamatinio Fe sluoksnio magnetine lengva ašimi. Taikant fiksuoto dažnio radijo dažnio galią (–10 dBm), išorinio magnetinio lauko amplitudė buvo nušviesta 0 ≤ μ 0 H intervale, ex ≤ 350 mT. Kaip parodyta 6a paveiksle, mes stebėjome aiškius FMR signalus, turinčius anti-Lorentzian struktūrą, rodančius VCMA sukeltą efektyviojo anizotropijos lauko pokyčius išmatuotoje magnetizacijos konfigūracijoje. 8 pav. 6b parodyta taikomo rezonanso dažnio priklausomybė nuo magnetinio lauko. Magnetizacijos rezonansinė būklė atitiko įprastą Kittel formulę:

Image

a ) Homodino aptikimo signalo, gaunamo esant įvairiems taikomiems radijo dažnio (RF) galios dažniams, išorinė magnetinio lauko priklausomybė. Išorinio magnetinio lauko RF galios amplitudė ir aukščio kampas, θ H, buvo fiksuoti atitinkamai –10 dBm ir 55 ° nuo plokštumos krypties. b ) Rezonansinis dažnis kaip magnetinio lauko amplitudės funkcija. Raudona linija parodo tinkamus rezultatus pagal Kittel formulę.

Visas dydis

Image

where γ is the gyromagnetic ratio, θ M is the angle of the magnetization direction of the ultrathin Fe layer from the in-plane axis and H PMA, eff is the effective PMA field. The observed results are well reproduced with a fitting parameter of H PMA, eff =46 mT.

Although the VCMA coefficient and K eff t total values show t total dependences, as discussed above, their monotonic trend should basically imply that the physical origin of the VCMA effect does not change with the t total . One remaining concern is an influence of the voltage-induced modification of the Curie temperature for the thinnest Ir-doped Fe regime, for example, as observed in well-designed few-ML Co. 15 However, this effect gives a considerable influence only when the measurement temperature is close to the Curie temperature. On the other hand, we observed no drastic reduction in the magnetic moment near room temperature for the Ir-doped Fe layer (see Supplementary Information S8), suggesting that the VCMA effect is a predominately electronic origin and that its high-speed response should be maintained in the entire Ir-doped Fe thickness region. A voltage-induced FMR signal was not detected for the sample with t total =0.82 nm. As we need a high external magnetic field to tilt the magnetization to surpass the high effective PMA, the precession of the voltage-induced FMR dynamics becomes smaller. Therefore, the direct demonstration of voltage-induced dynamic switching in the perpendicularly magnetized MTJ is required in the future.

To discuss the physical origin of the enhancement in the VCMA coefficient by Ir doping, we performed additional first-principles theoretical analysis of the VCMA effect in Cu(5ML)/Fe(5ML)/MgO(5ML) and Cu(5ML)/FeIr(5ML)/MgO(5ML) structures. Here, the Ir concentration was again fixed at 6.25%. The MAE modulation of the electric field in MgO is enhanced from 94 to 127 fJ Vm −1 by Ir doping. Here, a dielectric constant of 10 was assumed for MgO. The atomic-resolved electric-field-induced MAE for each structure is shown in Figure 7a. The electric-field-induced MAE for the Fe atoms are almost the same values between Fe/MgO with and without Ir doping. On the other hand, the MAE modulation for the Ir atoms is more than five times greater than that for the Fe atoms at the FeIr/MgO interface. To reveal the origin of huge VCMA effect for the Ir atoms, we calculated the MAE arising from a second-order perturbation of the spin–orbit coupling and divided the MAE contribution into spin-flip and spin-conserving process terms between the occupied and unoccupied states. 42 Figure 7b shows the voltage-induced MAE change arising from the second-order perturbation for the interfacial and sub-interfacial Ir sites. The electric field modulation of the spin-conserving term between the majority spin occupied and unoccupied states (δE ↑↑ ) is larger than that between the minority spin states (δE ↓↓ ), as the majority spin 5 d states are dominant near the Fermi level in the interfacial and sub-interfacial Ir atoms (see Supplementary Information S7). On the other hand, the VCMA effect arising from the spin-flip term is very small, as the electric field modulation of the spin-flip terms (δE ↑↓ and δE ↓↑ ) are almost the same value but opposite sign. We also estimated the electric-field-induced orbital magnetic moment anisotropy (

Image

) of the Ir atoms, where

Image

is the orbital magnetic moment in the out-of-plane (in-plane) direction for the spin state S (↑ or ↓). The MAE is proportional to the

Image

ir

Image

, then the spin-flip term (E ↑↓, E ↓↑ ) is negligibly small. 43 The

Image

values induced by an electric field of 0.1 V nm −1 are

Image

ir

Image

ir

Image

ir

Image

for the interfacial and sub-interfacial Ir atoms, respectively. The large modulation in

Image

also indicates that the electric-field-induced MAE is mainly caused by a modulation in the majority spin Ir-5 d states.

Image

First-principles calculations of the electric field modulation on the MAE in the Ir-doped Fe/MgO system. ( a ) Atomic-resolved MAE change induced by an electric field of 0.1 V nm −1 in MgO for the Cu/Fe/MgO (left) and Cu/FeIr/MgO (right) structures. The Ir concentration was maintained at 6.25% in the FeIr layer. The average value of 15 atoms in each layer is displayed for Fe. ( b ) Electric-field-induced MAE arising from the second-order perturbation of the spin–orbit coupling for the interfacial (top) and sub-interfacial (bottom) Ir atoms in the Cu/FeIr/MgO structure.

Visas dydis

We demonstrated a large VCMA coefficient of 320 fJ Vm −1 with a K eff t total value of ~0.46 mJ m −2 in the Ir-doped Fe/MgO structure. The developed structure first achieved the required specifications for high-density voltage-torque magnetoresistive random access memory, corresponding to a technology node with a diameter of 25 to 30 nm for MTJ elements (see Supplementary Information S1). First-principles calculations predict large enhancements in the interfacial PMA and VCMA effect in Fe/monolayer of heavy metal/MgO structures; 31 however, the realization of uniform ML insertion is not easily achieved in practical MTJs. On the other hand, the Ir-doped Fe/MgO structure should be much more manufacturable and have a high application possibility even for sputtering processes. We still have numerous choices for 4 d and 5 d elements, and therefore, materials engineering using heavy-metal doping has enormous possibilities for further improvements in interfacial PMA and VCMA properties.

Išvada

We investigated the PMA and VCMA properties in Ir-doped Fe/MgO structures. A low concentration of Ir doping had a considerable influence on the magnetic properties and achieved a high interface magnetic anisotropy, K i, 0, up to 3.7 mJ m −2 . In addition, a large VCMA coefficient of 320 fJ Vm −1 was demonstrated in the MgO-based MTJ. High-speed responsiveness was confirmed through voltage-induced FMR excitation. First-principles calculations revealed that Ir atoms dispersed within the ultrathin Fe layer had an important role to enhancing the K i, 0 and VCMA coefficient. Materials research using heavy-metal doping in Fe/MgO junctions is a novel approach to improve the interfacial PMA and VCMA properties and promote the development of future spintronic devices with ultralow energy consumption.

Leidėjo pastaba

Leidėjo pastaba: „ Springer Nature“ išlieka neutralus paskelbtų žemėlapių jurisdikcijos reikalavimų ir institucinių ryšių atžvilgiu.

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Supplementary Information accompanies the paper on the NPG Asia Materials website(//www.nature.com/am)