Multicamadas ferromagnéticas com anisotropia magnética programável

Autor: Teixeira, Bruno Miguel da Silva
Přispěvatelé: Sobolev, Nikolai Andreevitch, Timopheev, Andrey, Sobolev, Nikolai Andreevich
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
instacron:RCAAP
Popis: This work focuses on the modification of magnetic anisotropy of ferromagnetic multilayers towards the goal of obtaining the easy-cone magnetic state. Two types of magnetic multilayer systems are explored: NdCo5/Fe bilayer and magnetic tunnel junctions (MTJ) in half-stack (FeCoB free layer grown on MgO) and full-stack configuration. The effects of interlayer coupling, layer thickness, interfaces, spacers as well as the impact of ion irradiation on the magnetic anisotropy of the multilayers were investigated primarily by ferromagnetic resonance (FMR) and complemented by X-ray diffraction, vibrating sample magnetometry and current-in-plane tunneling measurements. Macrospin models were developed on the basis of the Smit-Beljers formalism and of the linearized Landau-Lifshitz-Gilbert equation to simulate angular dependences of resonance field and linewidth as well as microwave absorption curves. The NdCo5/Fe bilayer was prepared by pulsed laser deposition and the influence of the spin reorientation transition (SRT) of NdCo5 on the bilayer’s magnetic properties was investigated. The SRT temperatures of the bilayer were determined as 255 K and 350 K and an interfacial coupling energy of 1.4 mJ · m−2 was estimated. Due to the coupling, the precession of magnetic moments of the Fe layer occurs in the effective exchange field stemming from the NdCo5. As a result of the interlayer coupling, there is a transfer of magnetic anisotropy from NdCo5 to the Fe, which allowed the SRT of NdCo5 to be seen indirectly, by tracking the temperature variation of the Fe FMR field. MgO/FeCoB(tFCB)/Ta free-layer stacks and perpendicular magnetic tunnel junction (pMTJ) pillars having identical free layers were prepared by magnetron sputtering. Tunnel magnetoresistance (TMR) measurements and FMR revealed a gradual evolution of the free-layer behavior from that of a continuous film at large tFCB towards that of an ensemble of weakly coupled grains for tFCB 1014 cm−2, where there as a strong modulation of anisotropy, caused by a strong decreasein MS, attributed to a high degree of intermixing at the FeCoB/Ta interface, accompanied, however, by a loss of coupling and of TMR, that rendered the MTJ inoperative. In brief, evidences were found for the micromagnetic origin of the easy cone anisotropy in the multilayers containing the FeCoB/MgO interface. The range of experimental conditions for setting the easy cone, namely FeCoB layer thickness and temperature, was widened for the double-MgO free layers having metallic spacers. Ion irradiation was demonstrated as a useful tool for inducing the easy cone anisotropy. The trends of the magnetic anisotropy evolution resulting from the irradiation, as well as the ion-fluence window of operation where such modulation of magnetic anisotropy can occur, while not losing the TMR or the magnetic configuration of the MTJ, were indicated. Este trabalho baseou-se na modificação da anisotropia magnética de multicamadas ferromagnéticas, tendo em vista a obtenção do estado de conefácil. Dois sistemas foram investigados: bicamadas de NdCo5/Fe e multicamadas contendo interfaces de FeCoB/MgO, abrangendo camadas magnéticas livres e junções de túnel magnéticas (MTJ) completas. Os efeitos do acoplamento magnético entre camadas, da espessura das camadas, das interfaces e dos espaçadores, assim como o impacto da irradiação iónica na anisotropia magnética das multicamadas foram investigadas maioritariamente por ressonância ferromagnética (FMR). Essa investigação foi complementada com difração de raios-X, magnetometria de amostra vibrante e medições planares da corrente de túnel. Modelos numéricos baseados na aproximação de macrospin foram desenvolvidos tendo por base o formalismo de Smit-Beljers e a equação de Landau-Lifshtiz-Gilbert linearizada. Esses modelos foram usados para simular dependências angulares de campos de ressonância e larguras de linha, assim como curvas de absorção de micro-ondas. A bicamada de NdCo5/Fe foi preparada por deposição por laser pulsado e a influência da transição de reorientação de spin (SRT) do NdCo5 nas propriedades magnéticas da bicamada foram investigadas. As temperaturas da SRT da bicamada foram determinadas em 255 K e 350 K, e a energia do acoplamento na interface foi estimada em 1.4 mJ · m−2 . Em consequência do acoplamento, a precessão dos momentos magnéticos do Fe ocorre no campo de troca efetivo originado na camada de NdCo5. Consequentemente, ocorre uma transferência parcial da anisotropia magnética do NdCo5 para o Fe. Essa transferência foi explorada para seguir a SRT do NdCo5 de forma indireta, através da variação com a temperatura do sinal de FMR do Fe. Camadas ferromagnéticas livres de MgO/FeCoB(tFCB)/Ta e junções de túnel magnéticas perpendiculares (pMTJ) contendo uma camada livre idêntica, foram preparados por sputtering com recurso a magnetrão. As medições da magnetoresistência de túnel (TMR) e de FMR revelaram uma evolução gradual da camada livre desde um comportamento de filme contínuo, para as maiores espessuras, até ao de um conjunto de grãos fracamente acoplados para tFCB 1014 cm−2 , para o qual ocorreu uma forte modulação da anisotropia, provocada por um forte decréscimo de MS atribuído à mistura da camada de FeCoB/Ta. Essa modulação foi acompanhada de uma perda dos acoplamentos magnéticos e da TMR, que tornariam a MTJ inoperacional. Resumidamente, foram encontradas evidências da origem micromagnética da anisotropia de cone fácil em multicamadas contendo a interface de FeCoB/MgO. A gama de condições experimentais para a obtenão do estado de cone fácil (espessura da camada de FeCoB e temperatura) foram alargadas para camadas de MgO/FeCoB/MgO contendo espaçadores metálicos. A irradiação iónica foi demonstrada como uma ferramenta útil para a indução da anisotropia de cone fácil. As tendências de evolução da anisotropia magnética em função da irradiação, bem como a janela de fluências onde a modulação da anisotropia ocorre sem perda total da TMR ou da configuração magnética da MTJ, foram determinadas. Programa Doutoral em Engenharia Física
Databáze: OpenAIRE
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