Development of Pt/Co/Pt films for Current Induced Domain Wall Motion Based Devices

Abstract

최근 자성체의 자화방향을 전류를 이용해 제어할 수 있는 스핀전달토크라는 현상이 발견되면서 자기 메모리로의 응용을 위해 활발히 연구되고 있다. 스핀토크를 이용한 자기메모리 소자 중 전류에 의한 자구벽이동 소자는 차세대 메모리 및 논리회로로의 응용이 기대되고 있다. 특히, 수직자기 이방성을 가지는 소자가 집적도와 작동전류밀도의 측면에서 기존 수평자기 이방성 소자에 비해 많은 장점을 가진다는 사실이 알려지면서, 최근 국내외적으로 이 분야에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 스핀전달토크가 자구벽 이동을 일으키는 원리에 대한 물리적 해석이 많이 있지만, 그 이론들은 결함이 없는 이상적인 나노와이어에 대한 것이기 때문에 실질적인 실험 결과와 차이를 보인다. 수직자기 이방성 소자는 증착 과정에서 생기는 미소결함에 의해 자구벽의 이동이 영향을 받게 되는데, 특히 낮은 외부자극 하에서는 이 결함으로 인해 형성된 연속적인 에너지 장벽을 넘어가는 열적 활성화 운동을 하게 된다. 그 과정에서 자구벽이동은 임계-축척거동을 보인다. 스핀전달토크는 점진적 스핀토크와 비점진적 스핀토크로 이루어져 있는데 아직까지도 어느 것이 이러한 임계-축척거동을 일으키는 주된 힘인지 조차 밝혀진 것이 없다. 이러한 실험이 어려움을 갖고 있는 가장 큰 이유는 동작 전류밀도가 너무 커서 발생하는 소자의 높은 온도가 정확한 측정을 방해하기 때문이다. 그러므로, 미소결함이 작은 수직자성물질을 개발해 동작전류밀도를 낮추어야 한다. 본 연구에서는 미소결함이 작은 물질구조를 탐색하였고, Pt/Co/Pt 구조가 가장 적합하다고 판단하였다. 이 수직자성 박막을 나노와이어로 패터닝하고, 전류 인가형 자구벽 이동 실험을 할 수 있도록 공정하였다. 소자 크기에 따른 자기적 동역학 특성을 알아보기 위해 나노와이어의 폭을 줄여가며 측정하였고, 두 가지 변환 현상이 일어나는 것을 확인하였다. 첫 번째는, 나노와이어 폭을 줄이면서 160 nm 이하가 되면 강자성-초상자성 변환 효과가 상온에서 나타난다는 것을 보았다. 두 번째로, 자기장에 의한 자구벽 이동 속도를 측정하였는데, 흥미롭게도 나노선의 선폭이 줄어들수록 자구벽의 운동이 2차원적인 기어가기 운동에서 1차원적인 뛰어가기 운동으로 바뀌는 것을 관찰할 수 있었다. 유한 크기 분석법을 이용하여 이러한 차원변한 현상을 분석하였는데, 그 결과 1-2차원 중첩 영역에서도 모든 실험 데이터가 하나의 변수에 의해 축척현상을 보이는 보편적 현상을 관찰할 수 있었다. 다음으로, 전류에 의한 자구벽 이동 역학에 대해 연구하였다. 기존 결과들 보다 약 10배 이상 낮은 전류밀도로 자구벽을 움직이는데 성공하였다. 또한, 이를 기반으로 4개의 비트를 동시에 제어하는 이송-레지스터 구현에 성공하여, 상온에서 실제 작동하는 자성나노소자의 실현 가능성을 높이는 계기를 마련하였다. 마지막으로, 자기장과 전류를 따로, 또는 동시에 가해주면서 자구벽의 이동속도를 분석하여 점진적 스핀토크와 비점진적 스핀토크의 역할을 구분해 낼 수 있었다. 전류의 효과를 유효자기장 형식으로 표현한 것의 비선형 항은 높은 전류밀도에서 지배적인 역할을 하는 점진적 스핀토크를 나타낸다. 반면에, 비점진적 스핀토크는 유효자기장 표현에서 선형적 역할을 하므로, 자기장과 같음을 알 수 있다. 이러한 결과들은 자기장과 전류에 의한 자구벽 운동의 물리적 근본원리를 밝힘과 동시에 차세대 메모리 소자로서의 자구벽의 이용가능성을 높이는데 큰 기여를 할 것이다.

The spin-transfer torque (STT) has opened great opportunities in spin-based science and technology. Controlling magnetic domain wall (DW) is the one of potential application to future magnetic memory and logic device. Especially, a narrow DW in perpendicular magnetic anisotropy (PMA) nanowire is expected to move at lower current density than a wide DW in in-plane Py nanowire. Theories have reported the roles of STT on magnetic DW motion in ideal nanowires. But in reality, disorders are always present in real nanowires with perpendiculalr magnetic anisotropy, and affect the DW dynamics considerably. In particular, at low current densities, the competition of the STT against the disorder results in critical scaling behavior of the DW motion. Unfortunately this critical dynamics remains poorly explored. Even the central problem about the main driving mechanism remains unclear: It has been controversially reported that the criticality is governed either solely by the adiabatic STT or solely by the nonadiabatic STT. The nature of the current-driven scaling including its exponent remains unclear because of the experimental difficulties with high Jc, which blurs experimental sensitivity and introduces uncontrollable artifacts by causing serious Joule heating. Therefore, to achieve a small Jc it is required to reduce the pinning strength. In this thesis, I first tried to search for materials having weak microstructural pinning and finally, found an optimal structure based on Pt/Co/Pt. The film was then fabricated into nanowire with electric contacts to test the current-induced DW motion. For field-induced dynamic properties of the magnetic nanowire, I found several transitions with reducing the width of nanowire. The first one was the ferromagnetic-superparamagnetic transition, where a superparamagnetic behavior was observed at room temperature for nanowires narrower than 160 nm. The second one was the dimensionality transition between 2 dimension (2D) and 1 dimension (1D) in field-driven DW motion. From the transition, I found that the universality exists even a dimensionality crossover in ferromagnetic nanowires. For current-induced dynamic properties of magnetic nanowires, I achieved the critical current densities for DW motion less than 1010 A/m2—10 times smaller than values in existing reports at room temperature. Based on this low critical current density, I succeeded to demonstrate 4-bit shift register, of which device prototype offers a practical operation power at room temperature in emerging magnetic nanodevices. Finally, by comparing the field- and current-driven DW motion, I could clarify the role of STTs during thermally activated creep regime. The adiabatic STT—resulting in quadratic contribution to effective field—was found to be dominant for large current densities, whereas the non-adiabatic STT—playing the same role as magnetic field—subsisted at low current densities. All the above findings enhance the fundamental understanding of the field- and current-driven DW motion, as well as provide technological breakthrough for next generation DW based memory devices.