Dynamique et inclinaison de parois de domaine pilotées par couple spin-orbite dans des pistes Pt/Co/Ta aimantées perpendiculairement

Résumé

Nous étudions comment l'insertion d'une intercalaire de carbone affecte l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), la vitesse de paroi de domaine (DW) induite par courant, et l'inclinaison dans des pistes Pt/Co/Ta. La microscopie Kerr magnéto-optique révèle que la force DMI est dominée par l'interface Pt/Co, restant similaire pour les empilements Pt/Co/Ta et Pt/Co/C/Ta. Dans Pt/Co/Ta, les DW atteignent des dizaines de m/s à quelques MA cm⁻² de densités de courant, tandis que Pt/Co/C/Ta nécessite environ le double de courant pour atteindre des vitesses comparables, soulignant l'influence de l'efficacité du couple spin-orbite (SOT) et des barrières d'ancrage. Comparé au mouvement de DW induit par champ (FIDWM), la vitesse DW sous champs effectifs identiques est ~10³ fois plus grande dans les expériences pilotées par courant, indiquant une contribution significative du chauffage Joule. De plus, nous observons une inclinaison prononcée de DW induite par courant absente dans le FIDWM, soulignant le rôle du champ d'Oersted. Ces résultats fournissent des aperçus de conception pour des mémoires à piste basées sur SOT efficaces.

Contexte

Le mouvement de paroi de domaine induit par courant (CIDWM) est un mécanisme clé pour les dispositifs de mémoire à piste de prochaine génération. Les premières études se concentraient sur les ferromagnets (FM) avec anisotropie dans le plan, où le couple de transfert de spin (STT) entraînait les DW. Plus tard, le CIDWM a été démontré dans les systèmes à anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), mais la direction de propagation des DW contredisait parfois les prédictions STT. Dans les bicouches métal lourd (MH)/FM, les couples spin-orbite (SOT) générés par l'effet Hall de spin (SHE) et/ou l'effet Rashba, ensemble avec la DMI interfaciale, produisent des DW chiraux qui se déplacent le long de la direction du courant. Améliorer l'efficacité CIDWM nécessite donc des couches MH avec de grands angles Hall de spin (θ_SH) et une ingénierie soignée des propriétés interfaciales. Diverses stratégies — ajustement d'épaisseur, décoration d'interface, contrôle de cristallinité, incorporation d'oxygène — ont été employées pour maximiser θ_SH et l'efficacité SOT effective. Les trilayers MH/FM/MH, où deux couches MH contribuent avec des signes θ_SH opposés, peuvent encore augmenter le couple net. La force DMI dans de telles structures est également modifiée, influençant la vitesse DW et le comportement d'inclinaison. Des modèles récents prédisent que la DMI et les paysages d'ancrage déterminent l'étendue de l'inclinaison DW sous courant.

Dans un travail antérieur, nous avons examiné l'effet de l'insertion d'une fine couche de carbone (C) entre Co et Ta dans des empilements Pt/Co/Ta, observant des changements d'anisotropie, champs de commutation, et champs effectifs SOT. Ici, nous étendons cette étude pour analyser le mouvement et l'inclinaison de DW pilotés par courant, quantifiant comment l'insertion de C influence la DMI, le potentiel d'ancrage et l'efficacité SOT dans des pistes Pt/Co/Ta de taille micrométrique.

Méthodes

Deux empilements de films — Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/Ta(5 nm) et Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/C(2 nm)/Ta(5 nm) — ont été déposés sur verre Corning à température ambiante par pulvérisation cathodique DC magnétron (pression de base < 4,0 × 10⁻⁵ Pa). Le Ta inférieur sert de couche d'amorçage, tandis que le Ta supérieur forme une cape ~1,5 nm TaO_x après exposition à l'air. Les films ont été structurés en pistes de 8,5 µm et 3,0 µm de large respectivement, en utilisant lithographie standard et fraisage ionique Ar. Des barres Hall de largeur identique ont été fabriquées pour mesurer la résistance Hall anomale (R_Hall) dépendante du champ hors plan (H_z) sous divers champs de biais dans le plan (H_x) le long de la direction du courant. En extrayant le décalage des boucles R_Hall-H_z (H_SHE), nous avons quantifié l'efficacité SOT χ = H_SHE/J. Un microscope Kerr polaire a surveillé le mouvement DW sous champs appliqués ou impulsions de courant à température ambiante.

Résultats et Discussion

En utilisant le modèle de DW de Néel chiral, nous avons d'abord déterminé les paramètres DMI et SOT à partir de mesures Hall anomales. Les champs DMI effectifs (H_DMI) pour Pt/Co/Ta et Pt/Co/C/Ta étaient ~1370 Oe et ~1055 Oe respectivement, tandis que les efficacités SOT saturées χ^sat étaient 10,0 Oe/(10⁶ A cm⁻²) et 8,3 Oe/(10⁶ A cm⁻²). La légère réduction de χ^sat pour l'empilement décoré au C reflète probablement une diffusion spin-flip interfaciale accrue. Les constantes d'échange DMI calculées |D| étaient 1,01 ± 0,16 mJ m⁻² (Pt/Co/Ta) et 1,15 ± 0,14 mJ m⁻² (Pt/Co/C/Ta), indiquant que l'interface Pt/Co domine la DMI dans les deux empilements. Puisque H_DMI/H_K < 2/π, le caractère Néel des DW est stable, comme confirmé par les expériences CIDWM.

Les vitesses de DW pilotées par champ ont été mesurées sous impulsions magnétiques hors plan. Les deux empilements présentaient une dépendance de type fluage v ∝ exp[−(U_c/k_BT)(H_dep/H)^1/4]. Le champ de désancrage H_dep était environ deux fois plus grand pour Pt/Co/Ta dans l'empilement décoré au C, et le paramètre de pente s était plus grand (37,4 Oe^1/4 vs 76,5 Oe^1/4), confirmant un potentiel d'ancrage plus élevé. Les images de domaine montraient des formes DW plus irrégulières dans Pt/Co/C/Ta, cohérentes avec un paysage d'ancrage non uniforme.

Le mouvement de DW piloté par courant a ensuite été étudié. Les vitesses DW augmentaient avec la densité de courant, mais atteindre la même vitesse dans Pt/Co/C/Ta nécessitait environ le double de densité de courant, reflétant une efficacité SOT réduite et un ancrage accru. Remarquablement, la vitesse CIDWM était ~10³ fois plus grande que celle pilotée par un champ magnétique équivalent, soulignant l'impact du chauffage Joule et possiblement du champ d'Oersted. À courants élevés (± 19,2 MA cm⁻²), nous avons observé des vitesses réduites, des sites de nucléation accrus, et une inclinaison DW altérée, suggérant des processus activés thermiquement et un paysage d'ancrage remodelé.

L'inclinaison DW émergeait seulement sous pilotage par courant. L'angle d'inclinaison ψ croissait approximativement linéairement avec la densité de courant pour les deux empilements, en accord avec des prédictions théoriques récentes. Les expériences pilotées par champ ne montraient pas d'inclinaison, impliquant que le champ d'Oersted — généré par le courant — joue un rôle crucial. Les champs d'Oersted calculés (~19,6 Oe pour Pt/Co/Ta et ~37,4 Oe pour Pt/Co/C/Ta au courant maximal) sont comparables à H_SHE, et comme les deux champs agissent dans la même direction à des positions spécifiques le long de la piste, le DW expérimente un champ effectif non uniforme, produisant les formes de domaine trapézoïdales observées. Les champs de biais dans le plan (H_x, H_y) modifient la chiralité DW et la force relative de H_SHE et H_Oersted, affectant davantage l'inclinaison et l'expansion de domaine.

Conclusions

Nous démontrons que le mouvement et l'inclinaison de DW sont fortement influencés par l'efficacité SOT, le potentiel d'ancrage, le chauffage Joule et le champ d'Oersted dans les pistes Pt/Co/Ta et Pt/Co/C/Ta. La force DMI (~1 mJ m⁻²) est dominée par l'interface Pt/Co, tandis que l'insertion de C réduit modestement l'efficacité SOT et augmente l'ancrage. Les vitesses CIDWM atteignent des dizaines de m/s à quelques MA cm⁻², mais la présence d'un champ d'Oersted significatif peut déformer les formes de domaine, ce qui peut limiter les conceptions pratiques de mémoire à piste basées sur SOT. Ces aperçus guident l'ingénierie de pistes SOT avec une dynamique DW optimisée.

Abréviations

CIDWM

Mouvement de paroi de domaine induit par courant

DMI

Interaction de Dzyaloshinskii-Moriya

D-U

Bas-vers-haut

DW

Paroi de domaine

FIDWM

Mouvement de paroi de domaine induit par champ

FM

Ferromagnets

MH

Métal lourd

PMA

Anisotropie magnétique perpendiculaire

SOT

Couple spin-orbite

STT

Couple de transfert de spin

U-D

Haut-vers-bas