mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202310.559mateltech-559Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYСинтез тонкопленочных магнитных структур для спин-орбитроникиSynthesis of thin-film magnetic structures for spin-orbitronicshttps://orcid.org/0000-0001-7209-4307ТелегинА. В.TeleginA. V.

ул. Софьи Ковалевской, д. 18, Екатеринбург, 620108

Телегин Андрей Владимирович — канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, зав. лаборатории магнитных полупроводников

18 Sofia Kovalevskay Str., Ekaterinburg, 620108

Andrey V. Telegin — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher, Head of Laboratory

telegin@imp.uran.ruhttps://orcid.org/0009-0004-1064-7948НамсараевЖ. Ж.NamsaraevZh. Zh.

п. Аякс, д. 10, о. Русский, Владивосток, 690922

Намсараев Жимба Жамбалдоржиевич — инженер-исследователь, Департамент общей и экспериментальной физики, Институт наукоемких технологий и передовых материалов

10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok 690922

Zhimba Zh. Namsaraev — Research Engineer, Department of General and Experimental Physics, Institute of High Technologies and Advanced Materials

telegin@imp.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7837-4366БессоновВ. Д.BessonovV. D.

ул. Софьи Ковалевской, д. 18, Екатеринбург, 620108

Бессонов Владимир Дмитриевич — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

18 Sofia Kovalevskay Str., Ekaterinburg, 620108

Vladimir D. Bessonov — PhD (Phys.-Math.), Senior Researcher

bessonov@imp.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3986-4768ТепловВ. С.TeplovV. S.

ул. Софьи Ковалевской, д. 18, Екатеринбург, 620108

Теплов Валентин Сергеевич — канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник

18 Sofia Kovalevskay Str., Ekaterinburg, 620108

Valentin S. Teplov — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Junior Researcher

teplov@imp.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1619-3666ОгневА. В.OgnevA. V.

п. Аякс, д. 10, о. Русский, Владивосток, 690922;

Коммунистический просп., д. 33, Южно-Сахалинск, 693000

Огнев Алексей Вячеславович — доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, лаборатория пленочных технологий, Департамент общей и экспериментальной физики, Институт наукоемких технологий и передовых материалов

10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok 690922

33 Kommunistichesky Ave., Yuzhno-Sakhalinsk 693000

Alexey V. Ognev — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher, Laboratory of Film Technologies, Department of General and Experimental Physics, Institute of High Technologies and Advanced Materials

ognev.av@dvfu.ruИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наукРоссияM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationДальневосточный федеральный университетРоссияFar Eastern Federal UniversityRussian FederationДальневосточный федеральный университет; Сахалинский государственный университетРоссияFar Eastern Federal University; Sakhalin State UniversityRussian Federation2024120120242716674Copyright © Телегин А.В., Намсараев Ж.Ж., Бессонов В.Д., Теплов В.С., Огнев А.В., 20242024Телегин А.В., Намсараев Ж.Ж., Бессонов В.Д., Теплов В.С., Огнев А.В.Telegin A.V., Namsaraev Z.Z., Bessonov V.D., Teplov V.S., Ognev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/559

Многослойные металлические наноструктуры перспективны не только для создания спиновых клапанов на основе эффекта гигантского магнитосопротивления, но и для исследования природы топологического магнетизма с целью создания новых наноразмерных устройств хранения и передачи данных, например,  на основе магнитных скирмионов. Актуальной проблемой остается разработка методов синтеза и конфигурации тонкопленочных наноструктур и контроля над спиновыми текстурами в них при воздействии электрического и спиновых токов, возникающих вследствие спинового эффекта Холла, при приложении внешних полей. Методом магнетронного распыления получены металлические тонкопленочные наноструктуры типа ферромагнетик/тяжелый металл: Ru(10 нм)/Co(0,8)/Ru(2), Ru(10)/Co(0,8)/Ru(2)/W(4), Pt(5)/Co(0,8)/MgO(2)/Pt(2),  Pt(15)/Co(0,8)/MgO(2)/Pt(2). На полученных образцах c помощью электронно-лучевой и фотолитографии изготовлены электрические контакты и холловские структуры с разной шириной токопроводящего мостика. На основе экспериментальных данных, полученных с вибрационного магнетометра рассчитаны магнитные параметры каждого образца: намагниченность насыщения, энергия и поле магнитной анизотропии, коэрцитивная сила – в зависимости от типа ферромагнитного слоя и слоя тяжелого металла. Из данных Керр-микроскопии определена доменная структура образцов. Проведено моделирование электросопротивления и сделаны оценки критической величины тока и максимальной плотности тока в наноструктурах. Показано, что все полученные образцы пленок обладают перпендикулярной магнитной анизотропией и могут быть использованы для изучения токоиндуцированных явлений и процессов переноса спинового момента в наноструктурах. 

Multilayer metallic nanostructures are promising not only for the creation of spin valves based on the giant magnetoresistance effect, but also for studying the nature of topological magnetism aiming to creation, for example, new nanoscale devices for storing and transmitting data based on magnetic skyrmions. Actual problem remains the development of methods for the synthesis and configuration of thin-film nanostructures and control over spin textures in them under the influence of electric and spin currents arising due to the spin Hall effect, with external fields applied. In this work the metallic thin film nanostuctures of the ferromagnetic/heavy metal type were obtained by the magnetron sputtering method: Ru(10 nm)/Co(0.8)/Ru(2), Ru(10)/Co(0.8)/Ru(2)/W(4), Pt(5)/Co(0.8)/MgO(2)/Pt(2), Pt(15)/Co(0.8)/MgO(2)/Pt(2). Electrical contacts and Hall structures with different widths of the current-carrying bridge were fabricated on the obtained samples using electron beam and photolithography. Based on experimental data obtained from a vibrating magnetometer, the magnetic parameters of each sample were calculated, including saturation magnetization, energy and field of magnetic anisotropy, and coercive force, depending on the type of ferromagnetic layer and heavy metal layer. The domain structure of the samples was determined using Kerr microscopy. Electrical resistance modeling was performed, and critical current values and maximum current density in nanostuctures were estimated. It was shown that all obtained thin-film samples have perpendicular magnetic anisotropy and can be used to study current-induced phenomena and spin transfer processes in nanostuctures.

магнетронное распылениенаноструктурыфотолитографияКерр-микроскопияспинтроникаперпендикулярная магнитная анизотропияметаллические пленки.magnetron sputteringnanostructuresphotolithographyKerr microscopyspintronicsperpendicular magnetic anisotropymetal filmsРабота выполнена при поддержке гранта РНФ № 21-72-20160 (https://rscf.ru/en/project/21-72-20160). Авторы также выражают благодарность Центру коллективного пользования Дальневосточного федерального университета.The work was supported by the Russian Science Foundation grant No. 21-72-20160 (https://rscf.ru/en/project/21-72-20160). The authors also express their gratitude to the FEFU Center for Common Use.ReferencesTumanski S. Thin film magnetoresistive sensors. Bristol; Philadelphia: Inst. of physics publ., Cop; 2001. 433 p. https://doi.org/10.1887/0750307021Tumanski S. Thin film magnetoresistive sensors. Bristol; Philadelphia: Inst. of physics publ., Cop; 2001. 433 p. https://doi.org/10.1887/0750307021Fert A. Nobel lecture: Origin, development, and future of spintronics. Reviews of Modern Physics. 2008; 80: 1517. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.80.1517Fert A. Nobel lecture: Origin, development, and future of spintronics. Reviews of Modern Physics. 2008; 80: 1517. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.80.1517Наумова Л.И., Миляев М.А., Заворницын Р.С., Павлова А.Ю., Максимова И.К., Криницина Т.П., Чернышова Т.А., Проглядо В.В., Устинов В.В. Высокочувствительные сенсорные элементы на основе спиновых клапанов с антиферромагнитным межслойным взаимодействием. Физика металлов и металловедение. 2019; 120(7): 710—716. https://doi.org/10.1134/S0015323019070076Naumova L.I., Milyaev M.A., Zavornitsin R.S., Pavlova A.Y., Maksimova I.K., Krinitsina T.P., Chernyshova T.A., Proglyado V.V., Ustinov V.V. High-sensitive sensing elements based on spin valves with antiferromagnetic interlayer coupling. The Physics of Metals and Metallography. 2019; 120: 653—659. https://doi.org/10.1134/S0031918X1907007XCardoso S., Leitao D.C., Dias T.M., Valadeiro J., Silva M.D., Chicharo A., Silverio V., Gaspar J., Freitas P.P. Challenges and trends in magnetic sensor integration with microfluidics for biomedical applications. Journal of Physics D: Applied Physics. 2017; 50(21): 213001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa66ecCardoso S., Leitao D.C., Dias T.M., Valadeiro J., Silva M.D., Chicharo A., Silverio V., Gaspar J., Freitas P.P. Challenges and trends in magnetic sensor integration with microfluidics for biomedical applications. Journal of Physics D: Applied Physics. 2017; 50(21): 213001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa66ecEpitaxial growth of complex metal oxides. Koster G., Huijben M., Rijnders G. (eds.). Elsevier; 2015. 479 p. https://doi.org/10.1016/C2018-0-02659-6Epitaxial growth of complex metal oxides. Koster G., Huijben M., Rijnders G. (eds.). Elsevier; 2015. 479 p. https://doi.org/10.1016/C2018-0-02659-6Scheunert G., Heinonen O., Hardeman R., Lapicki A., Gubbins M., Bowman R.M. A review of high magnetic moment thin films for microscale and nanotechnology applications. Applied Physics Reviews. 2016; 3: 011301. http://dx.doi.org/10.1063/1.4941311Scheunert G., Heinonen O., Hardeman R., Lapicki A., Gubbins M., Bowman R.M. A review of high magnetic moment thin films for microscale and nanotechnology applications. Applied Physics Reviews. 2016; 3: 011301. http://dx.doi.org/10.1063/1.4941311Чернышова Т.А., Миляев М.А., Наумова Л.И., Проглядо В.В., Банникова Н.С., Максимова И.К., Петров И.А., Устинов В.В. Магниторезистивная чувствительность и одноосная анизотропия микрополосок спиновых клапанов с синтетическим антиферромагнетиком. Физика металлов и металловедение. 2017; 118(5): 439—445. https://doi.org/10.7868/S0015323017050047Chernyshova T.A., Milyaev M.A., Naumova L.I., Proglyado V.V., Bannikova N.S., Maksimova I.K., Petrov I.A., Ustinov V.V. Magnetoresistive sensitivity and uniaxial anisotropy of microstrips of spin valves with a synthetic antiferromagnet. Physics of Metals and Metallography. 2017; 118: 415–420. https://doi.org/10.1134/S0031918X17050040Fukuzawa H., Iwasaki H., Koi K., Sahashi M. Soft magnetic characteristics of an ultrathin CoFeNi free layer in spin-valve films. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006; 298(1): 65—71. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.03.010Fukuzawa H., Iwasaki H., Koi K., Sahashi M. Soft magnetic characteristics of an ultrathin CoFeNi free layer in spin-valve films. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006; 298(1): 65—71. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.03.010Svalov A.V., Sorokin A.N., Savin P.A., García-Arribas A., Fernández A., Vas'kovskiy V.O., Kurlyandskaya G.V. Co/Cu/Co pseudo spin-valve system prepared by magnetron sputtering with different argon pressure. Key Engineering Materials. 2015; 644: 211—214. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.644.211Svalov A.V., Sorokin A.N., Savin P.A., García-Arribas A., Fernández A., Vas'kovskiy V.O., Kurlyandskaya G.V. Co/Cu/Co pseudo spin-valve system prepared by magnetron sputtering with different argon pressure. Key Engineering Materials. 2015; 644: 211—214. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.644.211Lau J.W., Shaw J.M. Magnetic nanostructures for advanced technologies: fabrication, metrology and challenges. Journal of Physics D: Applied Physics. 2011; 44(30): 303001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/30/303001Lau J.W., Shaw J.M. Magnetic nanostructures for advanced technologies: fabrication, metrology and challenges. Journal of Physics D: Applied Physics. 2011; 44(30): 303001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/30/303001Parkin S., Hayashi M., Thomas L. Magnetic domain-wall racetrack memory. Science. 2008; 320(5873): 190—194. https://doi.org/10.1126/science.1145799Parkin S., Hayashi M., Thomas L. Magnetic domain-wall racetrack memory. Science. 2008; 320(5873): 190—194. https://doi.org/10.1126/science.1145799Ummelen F., Swagten H., Koopmans B. Racetrack memory based on inplane-field controlled domain-wall pinning. Scientific Reports. 2017; 7(1): 833. https://doi.org/10.1038/s41598-017-00837-xUmmelen F., Swagten H., Koopmans B. Racetrack memory based on inplane-field controlled domain-wall pinning. Scientific Reports. 2017; 7(1): 833. https://doi.org/10.1038/s41598-017-00837-xJungfleisch M.B., Zhang W., Hoffmann A. Perspectives of antiferromagnetic spintronics. Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. 2018; 382(13): 865—871. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2018.01.008Jungfleisch M.B., Zhang W., Hoffmann A. Perspectives of antiferromagnetic spintronics. Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. 2018; 382(13): 865—871. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2018.01.008Wang F., Bürgler D.E., Adam R., Parlak U., Cao D., Greb C., Heidtfeld S., Schneider C.M. Magnetization relaxation dynamics in [Co/Pt]3 multilayers on pico- and nanosecond timescales. Physical Review Research. 2021; 3(3): 033061. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.033061Wang F., Bürgler D.E., Adam R., Parlak U., Cao D., Greb C., Heidtfeld S., Schneider C.M. Magnetization relaxation dynamics in [Co/Pt]3 multilayers on pico- and nanosecond timescales. Physical Review Research. 2021; 3(3): 033061. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.033061Rinkevich A.B., Perov D.V., Kuznetsov E.A., Milyaev M.A., Romashev L.N., Ustinov V.V. Microwave penetration through (Fe0.82Ni0.18)/V superlattices. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020; 493: 165700. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165700Rinkevich A.B., Perov D.V., Kuznetsov E.A., Milyaev M.A., Romashev L.N., Ustinov V.V. Microwave penetration through (Fe0.82Ni0.18)/V superlattices. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020; 493: 165700. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165700Manchon A., Belabbes A. Chapter One – Spin-orbitronics at transition metal interfaces. Solid State Physics. 2017; 68: 1—89. https://doi.org/10.1016/bs.ssp.2017.07.001Manchon A., Belabbes A. Chapter One – Spin-orbitronics at transition metal interfaces. Solid State Physics. 2017; 68: 1—89. https://doi.org/10.1016/bs.ssp.2017.07.001Bogdanov A.N., Yablonskii D.A. Thermodynamically stable “vortices” in magnetically ordered crystals. The mixed state of magnets. Zhurnal éksperimental'noĭ i teoreticheskoĭ fiziki = The Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1989; 95(1): 178.Bogdanov A.N., Yablonskii D.A. Thermodynamically stable “vortices” in magnetically ordered crystals. The mixed state of magnets. Zhurnal éksperimental'noĭ i teoreticheskoĭ fiziki = The Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1989; 95(1): 178.Fert A., Reyren N., Cros V. Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications. Nature Reviews Materials. 2017; 2(7): 17031. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.31Fert A., Reyren N., Cros V. Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications. Nature Reviews Materials. 2017; 2(7): 17031. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.31Wiesendanger R. Nanoscale magnetic skyrmions in metallic films and multilayers: a new twist for spintronics. Nature Reviews Materials. 2016; 1(7): 16044. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.44Wiesendanger R. Nanoscale magnetic skyrmions in metallic films and multilayers: a new twist for spintronics. Nature Reviews Materials. 2016; 1(7): 16044. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.44Everschor-Sitte K., Masell J., Reeve R.M., Kläui M. Perspective: Magnetic skyrmions – Overview of recent progress in an active research field. Journal of Applied Physics. 2018; 124(24): 240901. https://doi.org/10.1063/1.5048972Everschor-Sitte K., Masell J., Reeve R.M., Kläui M. Perspective: Magnetic skyrmions – Overview of recent progress in an active research field. Journal of Applied Physics. 2018; 124(24): 240901. https://doi.org/10.1063/1.5048972Nagaosa N., Tokura Y. Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions. Nature Nanotech. 2013; 8: 899—911. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.243Nagaosa N., Tokura Y. Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions. Nature Nanotech. 2013; 8: 899—911. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.243Sinova J., Valenzuela S.O., Wunderlich J., Back C.H., Jungwirth T. Spin Hall effects. Reviews of Modern Physics. 2015; 87(4): 1213—1260. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1213Sinova J., Valenzuela S.O., Wunderlich J., Back C.H., Jungwirth T. Spin Hall effects. Reviews of Modern Physics. 2015; 87(4): 1213—1260. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1213Heinonen O., Jiang W., Somaily H., Te Velthuis S.G., Hoffmann A. Generation of magnetic skyrmion bubbles by inhomogeneous spin Hall currents. Physical Review B. 2016; 93: 094407. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.094407Heinonen O., Jiang W., Somaily H., Te Velthuis S.G., Hoffmann A. Generation of magnetic skyrmion bubbles by inhomogeneous spin Hall currents. Physical Review B. 2016; 93: 094407. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.094407Jiang W., Chen G., Liu K., Zang J., Te Velthuis S.G., Hoffmann, A. Skyrmions in magnetic multilayers. Physics Reports. 2017; 704: 1—49. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.08.001Jiang W., Chen G., Liu K., Zang J., Te Velthuis S.G., Hoffmann, A. Skyrmions in magnetic multilayers. Physics Reports. 2017; 704: 1—49. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.08.001Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука; 1971. 132 c.Vonsovskiǐ S.V. Magnetism. New York: J. Wiley; 1974. 1256 p.Manchon A., Železný J., Miron I. M., Jungwirth T., Sinova J., Thiaville A., Garello K., Gambardella P. Current-induced spin-orbit torques in ferromagnetic and antiferromagnetic systems. Reviews of Modern Physics. 2019; 91(3): 035004. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.91.035004Manchon A., Železný J., Miron I. M., Jungwirth T., Sinova J., Thiaville A., Garello K., Gambardella P. Current-induced spin-orbit torques in ferromagnetic and antiferromagnetic systems. Reviews of Modern Physics. 2019; 91(3): 035004. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.91.035004Stebliy M.E., Kolesnikov A.G., Ognev A.V., Davydenko A.V., Stebliy E.V., Wang X., Han X., Samardak A.S. Advanced Method for the reliable estimation of spin-orbit-torque efficiency in low-coercivity ferromagnetic multilayers. Physical Review Applied. 2019; 11(5): 054047. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.054047Stebliy M.E., Kolesnikov A.G., Ognev A.V., Davydenko A.V., Stebliy E.V., Wang X., Han X., Samardak A.S. Advanced Method for the reliable estimation of spin-orbit-torque efficiency in low-coercivity ferromagnetic multilayers. Physical Review Applied. 2019; 11(5): 054047. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.054047

The authors declare that there are no conflicts of interest present.