Синтез тонкопленочных магнитных структур для спин-орбитроники

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. 

1. Tumanski S. Thin film magnetoresistive sensors. Bristol; Philadelphia: Inst. of physics publ., Cop; 2001. 433 p. https://doi.org/10.1887/0750307021

2. Fert A. Nobel lecture: Origin, development, and future of spintronics. Reviews of Modern Physics. 2008; 80: 1517. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.80.1517

3. Наумова 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/S0015323019070076

4. Cardoso 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/aa66ec

5. Epitaxial growth of complex metal oxides. Koster G., Huijben M., Rijnders G. (eds.). Elsevier; 2015. 479 p. https://doi.org/10.1016/C2018-0-02659-6

6. Scheunert 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/10.1063/1.4941311

7. Чернышова 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/S0015323017050047

8. Fukuzawa 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.2005.03.010

9. Svalov 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.644.211

10. Lau 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/10.1088/0022-3727/44/30/303001

11. Parkin S., Hayashi M., Thomas L. Magnetic domain-wall racetrack memory. Science. 2008; 320(5873): 190—194. https://doi.org/10.1126/science.1145799

12. Ummelen 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-x

13. Jungfleisch 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.2018.01.008

14. Wang 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.3.033061

15. Rinkevich 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.2019.165700

16. Manchon 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.2017.07.001

17. 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.

18. 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.2017.31

19. Wiesendanger 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.2016.44

20. Everschor-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/10.1063/1.5048972

21. Nagaosa N., Tokura Y. Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions. Nature Nanotech. 2013; 8: 899—911. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.243

22. Sinova 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.87.1213

23. Heinonen 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.93.094407

24. Jiang 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.2017.08.001

25. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука; 1971. 132 c.

26. 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.91.035004

27. Stebliy 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