Current-induced magnetization switching in a model epitaxial Fe/Au bilayer

Gospodarič, Pika GND

In electronics, the application of novel spintronic three-terminal memory devices is proposed to facilitate further improvements of the performance of electronic components. A promising write-mechanism in a spintronic memory is based on the purely electrical switching of the magnetization by spin-orbit torque (SOT) that can occur, for example, at the interface of heavy metal (HM)/ferromagnetic metal (FM) bilayers.
This thesis presents a study of the epitaxial model HM/FM system Au(4 nm)/Fe(1- 1.5 nm)/MgO(001) using magneto-transport measurements and Kerr microscopy. The Au/Fe bilayers were photolithographically patterned into Hall bars in order to study their magnetic and magneto-transport properties. The Au/Fe bilayer Hall bars on MgO(001) substrate exhibit a strong in-plane easy magnetization axis and a cubic magnetic anisotropy in the film plane dominated by the magneto-crystalline term of the Fe(001) layer. In the chosen geometry of the samples the easy magnetization directions coincide with the extrema of the transversal voltage induced by the planar Hall effect (PHE). Therefore, a switching of the magnetization from one easy direction to another can be detected by measuring the PHE-voltage.
Furthermore, Kerr microscopy revealed the formation of stripe-shaped magnetic domains separated by 90° domain walls aligned perpendicular to the Hall bar. A combined measurement of PHE-voltage and acquisition of Kerr images has shown that the measured PHE-voltage is most considerably affected by the domain configuration within the central area of the Hall cross.
Based on this findings, the influence of electrical currents on the magnetization in the Fe(001) layer was investigated via measurements of the PHE combined with Kerr microscopy. At room temperature, a current density beyond 10^7 A/cm^2 induces an Oersted field, which in the Fe(001) layer points in-plane in the direction perpendicular to the long axis of the Hall bar and can exceed the coercive field Bc=0.65+-0.05 mT for the 90° switch of the magnetization. Moreover, a current density beyond 1.4x10^7 A/cm^2 with an alternating polarity can be employed for reproducible electrical switching of the magnetization in the Au/Fe/MgO(001) Hall bars between multiple stable states. Kerr microscopy confirmed that a variation of the applied current density changes the domain structure at the Hall bar cross.
The change of the domain structure scales with the applied current density and can be read-out as a change in the PHE-voltage. The PHE measurements at T<50 K indicate a presence of an additional current-induced field up to 2.5 mT in the direction normal to the film surface.

Die Verwendung neuartiger spintronischer Speicherkomponenten ist eine Möglichkeit, die Energie- und Leistungseffizienz datenverarbeitender Geräte in Zukunft weiter zu verbessern. Als vielversprechender Schreibmechanismus in einem spintronischen Speicher gilt das rein-elektrische Umschalten einer Magnetisierung induziert durch ein Spin-Bahn-Drehmoment (engl. Spin-orbit torque). Solche Spin-Bahn-Drehmomente können u.a. an Grenzoberflächen von Doppelschichten aus Schwermetallen und ferromagnetischen Metallen beobachtet werden.
Die vorliegende Arbeit ist eine Studie über das epitaktisch gewachsene Modellsystem aus dem Schwermetall Gold (Au) und dem Ferromagneten Eisen (Fe), welches mittels Magnetotransportmessungen und Kerr-Mikroskopie charakterisiert wurde. Zur Untersuchung der magnetischen und magnetoelektronischen Eigenschaften des Systems wurden die Au/Fe Doppelschichten, Au(4 nm)/Fe(1-1.5 nm)/MgO(001), mittels Fotolithographie in Hall-Barren strukturiert. Die Magnetotransportmessungen an den Hall-Barren zeigen, dass die Au/Fe-Doppelschicht zwei leichte Magnetisierungsachsen mit kubischer Anisotropie in der Filmebene besitzt, welche primär auf die magnetokristalline Anisotropie des Fe(001) Films zurückzuführen sind.
In der gewählten Probengeometrie stimmen die leichten Magnetisierungsrichtungen mit den Extremwerten der transversalen Spannung überein, welche durch den planaren Hall-Effekt (PHE) induziert wird. Aufgrund dieser Koinzidenz zwischen Magnetisierungsrichtung und PHE-Spannung kann eine Reorientierung der Magnetisierung elektrisch detektiert werden.
Anhand von optischer Kerr-Mikroskopie konnte die Bildung von streifenförmigen magnetischen Domänen mit 90°-Domänenwänden senkrecht zur langen Achse der Hall-Barren beobachtet werden. Durch den direkten Vergleich von der Transportmessungen und Kerr-Aufnahmen konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Domänenkonfiguration im zentralen Bereich des Hall-Kreuzes einen maßgeblichen Einfluss auf die gemessene PHE-Spannung hat.
Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde in einem weiteren Schritt der Einfluss elektrischer Ströme auf die Magnetisierung der Fe(001)-Schicht mittels kombinierter PHE-Messungen und Kerr-Mikroskopie systematisch untersucht: Bei Raumtemperatur induziert eine Stromdichte jenseits von 10^7 A/cm^2 ein Oersted-Feld, welches das Koerzitivfeld Bc=0.65+-0.05 mT in der Filmebene der Fe(001)-Schicht übersteigt und zu einer Reorientierung der Magnetisierung um 90° führt. Darüber hinaus kann eine Stromdichte von mehr als 1.4x10^7 A/cm^2 mit wechselnder Polarität für ein reproduzierbares Schalten der Magnetisierung zwischen mehreren stabilen Zuständen verwendet werden. Die Ergebnisse der Kerr-Mikroskopie bestätigen, dass eine Variation der angelegten Stromdichte die Domänenkonfiguration am Hall-Kreuz verändert.
Diese Änderungen in der Domänenkonfiguration können als Änderungen der PHE-Spannung detektiert werden und skalieren mit dem angelegten Strom. Transportmessungen bei T<50 K zeigen das Vorhandensein eines zusätzlichen strominduzierten Feldes von bis zu 2.5 mT senkrecht zur Filmoberfläche.

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Gospodaric, Pika: Current-induced magnetization switching in a model epitaxial Fe/Au bilayer. 2019.

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