Study on Dzyaloshinskii-Moriya Interaction at Single Interface

Abstract

국문 초록 쟐로신스키-모리야 상호작용(DMI)은 스핀트로닉스 분야에서 중요한 요소로 부상하여, 카이랄 도메인월과 스커미온과 같은 카이랄 객체를 안정화하는데 중요한 역할을 한다. 차세대 메모리-로직 장치에 유망한 응용 가능성과 학술적 중요성 때문에, DMI에 대한 광범위한 연구와 탐구가 진행되고 있다. 그러나 DMI의 정확한 기저 메커니즘은 아직 논의중인 주제이다. DMI의 발생에 대해 폭넓게 받아들여지는 설명은 구조적 반전 비대칭성 (Structural Inversion Asymmetry, SIA)에 의해 주도되는 계면에서의 전도전자의 스핀-궤도 상호작용에 기인한다는 것인데, 이는 DMI가 본질적으로 인터페이스 효과이며, 이의 기저 메커니즘을 해결하기 위해 인터페이스에 대한 포괄적인 이해가 필수적이다. 그러나 DMI를 조사하기 위한 기존의 실험적 접근 방법은, 주로 다중 인터페이스를 갖는 시스템을 기반으로 하고 있다. 이는 자성층에 불필요한 산화를 방지하기 위해 사용되는 보호층 등의 존재 때문인데, 이로 인해 현재의 실험적 접근 방법은 인터페이스에서의 DMI의 개별 기여를 분석하는데 한계가 있어, DMI에 대한 보다 깊은 이해를 어렵게 만들고 있다. 따라서, 우리는 단일 인터페이스에서 DMI의 개별 기여를 직접적인 관찰을 통해 해결할 수 있는 보다 원초적인 실험적 접근 방법을 제안한다. 이 방법은 기존의 방법보다 더 명확하고 포괄적인 DMI에 대한 조사를 제공하여, DMI에 대한 깊은 이해를 도모한다. 1장에서는 DMI의 메커니즘에 대한 역사적인 개요를 소개하고, 수직 자기 이방성 (PMA)를 나타내는 기본적인 강자성체 시스템에 대하여 탐구하며, DMI 연구에 사용된 측정 방법을 소개한다. 이 장을 걸쳐서 강자성 박막에서 도메인 월 (DW)의 기본적 역학을 소개한다. 2장에서는 In-vacuum MOKE 시스템이라는 새로운 실험장치를 소개한다. 이 장치를 통해 단일 인터페이스에서 DMI를 관찰할 수 있는데, In-vacuum MOKE 시스템을 통한 DMI에 대한 연구는 1장에서 소개된 측정 방법을 기반으로 진행한다. 이 장에서는 주로 이 새로운 실험장치를 제작하고, 이를 이용하여 단일 인터페이스 구조 (Pt/Co)에서 DW 역학을 확인하는 것에 초점을 두고 있다. 이 장에서 얻은 결과는 단일 인터페이스 구조에서 DW 역학을 검증한 의미 있는 성과를 보여준다. 3장에서는 Pt/Co 단일 인터페이스에서 자성층 (Co)의 두께를 변화시킴으로써 DMI를 체계적으로 조사한다. 이 연구 결과는 DMI의 인터페이스 효과 특성을 확인하며, 더 나아가, 우리의 실험 장치의 신뢰성과 정확성을 입증하며, 아주 작은 원자 규모 두께까지 정밀한 제어와 감지를 할 수 있다는 것을 확인한다. 4장에서는 3장과 유사한 접근 방식을 따라, Pt/Co 단일 인터페이스에서 비자성층 (Pt)의 두께를 변화시키며 DMI를 체계적으로 조사한다. 재미있는 점은, 이론적 예상과는 대조적으로, 비자성층 두께에 따른 DMI의 강한 의존성이 관측되는데, X-선 회절 (XRD)를 통한 체계적인 검사를 통해, DMI와 Pt의 격자상수 간에 강한 상관관계가 있음을 발견한다. 이는 제일원리 연구를 통해 추가적으로 검증받는다. 이 상관관계를 활용하여, 시스템의 카이랄성을 조작하는 방법을 제안하고 보여준다. 3장과 4장에서 Pt/Co 단일 인터페이스에서 자성층과 비자성층의 두께 의존성을 철저히 조사함으로써, Pt/Co 인터페이스에서의 DMI에 대한 포괄적인 이해를 이룬다. 5장에서는 이전 장들에서 확립된 Pt/Co 인터페이스의 DMI에 대한 향상된 이해를 바탕으로, 다양한 물질들에서 DMI의 발생을 체계적으로 조사한다. 이는 우리가 앞서 설계한 첨단 In-vacuum MOKE 시스템의 활용을 기반으로 이루어진다. 이 연구에서는, Al, Cu, Nb, Pd, Hf, Ta와 같은 다양한 물질들을 Co위에 점진적으로, 원자 레벨의 두께로 증착하여 Pt/Co/X 구조를 만들어 가며 DMI를 체계적으로 탐구한다. 이를 통해, 다양한 물질들에 대한 DMI의 원자층별 기여를 정량화 한다. 또한, 이를 통하여 DMI의 발생에 중요한 역할을 하는, 일반적인 인터페이스의 길이가 존재함을 밝혀내며, 이러한 발견은 DMI의 인터페이스 특성에 대한 새로운 시야를 제공함과 동시에 발생의 기저 메커니즘에 대한 통찰력을 제공한다. 6장에서는 약한 PMA 시스템의 경우를 대비하여 DMI 조사를 위해 설계된 새로운 측정 방법을 소개한다. 이전 장들에서는 비교적 강한 PMA 조건에서 DMI에 대한 연구가 진행되었으며, 이는 명확한 DW 모션을 관측함을 기반으로 정확한 DW 속도 측정이 가능했기 때문이다. 그러나, 약한 PMA 시스템에서는, DW 모션을 정확하게 관측하는 것에 어려움이 생길 수 있어, DMI를 정확하게 측정하기에 어려움이 있을 수 있다. 이 장에서는, DW의 거칠기 측정을 기반으로, DMI를 측정하는 새로운 방법을 제안하며, 이 측정 방법은 DW 모션을 기반으로 한 DMI 측정에서 나타날 수 있는 어려움에 대한 해결책을 제시한다. 마지막장에서는 본 연구에서 제시한 결과의 결론과 전망을 다룬다. 이 연구의 주요 포인트는, Co/X 단일 인터페이스에서 DMI를 관찰함으로써 이루어졌는데, 이 선구적인 결과는 DMI 분야를 크게 발전시킬 것이며, 이 현상에 대한 명확한 탐지와 깊이 있는 분석을 제공한다.

키워드: 쟐로신스키-모리야 상호작용, 계면, 도메인 월, 수직 자기 이방성, 자기광 커 효과, 카이랄성

학번: 2017-20880

Abstract Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) has emerged as a crucial element in the field of spintronics, playing a pivotal role in stabilizing chiral objects such as chiral domain-walls and skyrmions. Given its promising applications in next-generation memory-logic devices and its academic importance, extensive efforts have been dedicated to its study and exploration. However, the precise underlying mechanism of the emergence of DMI is still a subject of debate. The widely accepted description for the emergence of DMI is due to the spin-orbit interaction of conduction electrons at interfaces, a phenomenon driven by structural inversion asymmetry (SIA). This suggests that DMI is essentially an interfacial effect, and a comprehensive understanding of the interface is vital to unravel its underlying mechanism. However, the conventional experimental approach to investigate DMI is primarily based on systems with multiple interfaces, mainly due to the presence of a protection layer adjacent to the magnetic layer, which is utilized to prevent undesirable oxidation. As a result, the current experimental approach has a limitation in resolving the individual contribution of DMI at interfaces, potentially hindering a deeper understanding of DMI. Here, we proposed a pioneering experimental approach that allows us to resolve the individual contributions of DMI at interfaces through direct observations of DMI at a single interface. This method provides a clearer and more comprehensive investigation of DMI compared to the conventional approach, resulting in a deeper understanding of DMI. In chapter 1, we introduce an overview of the historical descriptions of the DMI mechanism, delve into the basic physics of ferromagnetism in conventional systems exhibiting PMA, and the measurement scheme employed for investigating DMI. Throughout this chapter, we focus on the overall domain-wall (DW) dynamics in ultrathin ferromagnetic films with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). In chapter 2, we introduce a new experimental setup, called the in-vacuum MOKE system, which allows us to observe DMI at a single interface. The detection of DMI through the in-vacuum MOKE system builds upon the measurement scheme introduced in chapter 1. In this chapter, we primarily focus on setting up the new experimental setup and validating the DW dynamics in the single interface structure (Pt/Co) using this setup. The results obtained in this chapter mark a significant milestone in the study of single interface structures in relation to DW dynamics. In chapter 3, we systematically investigate DMI in the Pt/Co single interface by varying the thickness of magnetic layer (Co). Our findings confirm the interfacial effect behavior of DMI. Furthermore, these results validate the reliability and accuracy of our experimental setup, enabling us to achieve precise control and detection over the thickness, even down to sub-atomic scale thickness. In chapter 4, following a similar approach to the investigation in chapter 3, we systematically investigate DMI in the Pt/Co single interface, but this time by varying the thickness of non-magnetic layer (Pt). Interestingly, a pronounced dependence of DMI on the non-magnetic layer thickness is observed, in contrast to theoretical expectation. Additionally, systematic examination of X-ray diffraction (XRD) reveals a correlation between DMI and lattice constant of Pt. This finding is further validated through first-principles study. Furthermore, by utilizing the clearly revealed correlation in conventional systems, we develop a method for chirality manipulation. By thoroughly investigating the thickness dependence of both the magnetic layer and non-magnetic layer at the Pt/Co single interface in chapters 3 and 4, we achieve a comprehensive understanding of DMI at the Pt/Co interface. In chapter 5, based on the enhanced understanding of DMI at the Pt/Co interface established previous chapters, we conduct a systematic investigation into the emergence of DMI for various materials. This investigation utilizes the state-of-the-art capabilities of the in-vacuum system. In this experimental study, we systematically explore DMI in Pt/Co/X, where X represents a selection of various materials, including Al, Cu, Nb, Pd, Hf, and Ta. The exploration is carried out through step-by-step deposition of these materials onto Co with a sub-atomic scale layer thickness. Through this well-controlled investigation, we quantify layer-resolved contributions of DMI for various materials. Furthermore, we unveil the existence of a universal length of interface, which plays an essential role in the emergence of DMI. These findings shed light on the interfacial characteristics of DMI and provide insights into the underlying nature of its emergence. In chapter 6, we introduce a new measurement scheme specifically designed for investigating DMI in the case of weak PMA. In the previous chapters, the investigation of DMI was conducted under the condition of strong PMA, where clear DW motion was observed. This facilitated accurate measurement of the DW speed for quantifying DMI. However, in the case of weak PMA, detecting the DW motion becomes challenging, which consequently hinders the precise measurement of DMI. In this chapter, we propose a new method for quantifying DMI based on DW roughness measurement. This measurement scheme serves as a solution to the difficulties encountered in DMI measurement based on DW motion in weak PMA systems. In chapter 7, the conclusion, and the outlook of the results presented in this thesis are provided. The main findings of this thesis were achieved through observations of DMI at the Co/X single interface. This pioneering result significantly advances the field of DMI by providing clear detection and in-depth analysis of the phenomenon.

Key words: Dzyaloshinskii-Moriya interaction, interface, domain-wall, perpendicular magnetic anisotropy, magneto-optical Kerr effect, chirality

Student number: 2017-20880