Magnetodynamics in Spin Valves and Magnetic Tunnel Junctions with Perpendicular and Tilted Anisotropies

• Spin-torque transfer (STT) effects have brought spintronics ever closer to practical electronic applications, such as MRAM and active broadband microwave spin-torque oscillator (STO), and have emerged as an increasingly attractive field of research in spin dynamics. Utilizing materials with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in such applications offers several great advantages such as low-current, low-field operation combined with high thermal stability. The exchange coupling that a PMA thin film exerts on an adjacent in-plane magnetic anisotropy (IMA) layer can tilt the IMA magnetization direction out of plane, thus creating a stack with an effective tilted magnetic anisotropy. The tilt angle can be engineered via both intrinsic material parameters, such as the PMA and the saturation magnetization, and extrinsic parameters, such as the layer thicknesses.      STOs can be fabricated in one of a number of forms—as a nanocontact opening on a mesa from a deposited pseudospin-valve (PSV) structure, or as a nanopillar etching from magnetic tunneling junction (MTJ)—composed of highly reproducible PMA or predetermined tilted magnetic anisotropy layers.      All-perpendicular CoFeB MTJ STOs showed high-frequency microwave generation with extremely high current tunability, all achieved at low applied biases. Spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) measurements and analysis revealed the bias dependence of spin-torque components, thus promise great potential for direct gate-voltage controlled STOs.      In all-perpendicular PSV STOs, magnetic droplets were observed underneath the nanocontact area at a low drive current and low applied field. Furthermore, preliminary results for microwave auto-oscillation and droplet solitons were obtained from tilted-polarizer PSV STOs. These are promising and would be worth investigating in further studies of STT driven spin dynamics.

• Effekter av spinnvridmoment (STT) har fört spinntroniken allt närmare praktiska elektroniska tillämpningar, såsom MRAM och den spinntroniska mikrovågsoscillatorn (STO), och har blivit ett allt mer attraktivt forskningsområde inom spinndynamik. Användning av material med vinkelrät magnetisk anisotropi (PMA) i sådana tillämpningar erbjuder flera stora fördelar, såsom låg strömförbrukning och funktion vid låga fält i kombination med hög termisk stabilitet. Den utbyteskoppling (”exchange bias”) en PMA-tunnfilm utövar på ett intilliggande skikt med magnetisk anisotropi i planet (IMA) kan få IMA-magnetiseringsriktningen att vridas ut ur planet, vilket ger en materialstack med en effektivt sett lutande magnetisk anisotropi. Lutningsvinkeln kan manipuleras med både inre materialparametrar, såsom PMA och mättningsmagnetisering, och yttre parametrar, såsom skikttjocklekarna.STO:er kan tillverkas som flera olika typer - som en nanokontaktsöppning på en s.k. mesa av en deponerad pseudospinnventilstruktur (PSV) eller som en nanotråd etsad ur en magnetisk tunnlingsövergång (MTJ) –och bestå av mycket reproducerbar PMA eller av skikt med på förhand bestämt lutning av dess magnetiska anisotropi.MTJ-STO:er av CoFeB med helt vinkelrät anisotropi visar högfrekvent mikrovågsgenerering med extremt stort frekvensomfång hos strömstyrningen, detta vid låg biasering. Mätning och analys av spinnvridmoments-ferromagnetisk resonans (ST-FMR) avslöjade ett biasberoende hos spinnvridmomentskomponenter, vilket indikerar en stor potential för direkt gate-spänningsstyrda STO:er.I helt vinkelräta PSV-STO:er observerades magnetiska droppar under nanokontaktområdet vid låg drivström och lågt pålagt fält. Dessutom erhölls preliminära resultat av mikrovågssjälvsvängning och av s.k. ”droplet solitons” hos PSV-STO:er med lutande polarisator. Dessa är lovande och skulle vara värda att undersökas i ytterligare studier av STT-driven spinndynamik.

Subject headings

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Nanoteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Nano-technology (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Den kondenserade materiens fysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Condensed Matter Physics (hsv//eng)

Keyword

perpendicular magnetic anisotropy

tilted-polarizer

spintronics

STT

MTJ

pseudospin-valve

STO

ST-FMR

magnonics

magnetic droplet

droplet nucleation

droplet annihilation

vinkelrät magnetisk anisotropi

lutande polarisator

spinntronik

STT

MTJ

pseudospinnventil

STO

ST-FMR

magnonics

magnetisk droppe

nukleering av droppe

anihilering av droppe.

Physics

Fysik

Publication and Content Type

vet (subject category)

dok (subject category)