KR20200021524A - 4d 및 5d 전이금속 페로브스카이트에 기초한 자기 메모리 장치 - Google Patents
4d 및 5d 전이금속 페로브스카이트에 기초한 자기 메모리 장치 Download PDFInfo
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Abstract
자기 메모리 장치를 포함하는 자기 스위칭 장치가 제공된다. 이 장치는, 강한 스핀-홀 효과(spin-Hall effect)를 통해, 인접한 강자성 재료 내에 스핀 궤도 토크를 생성하는 강한 스핀 궤도 커플링(spin-orbit coupling: SOC)을 갖는 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트의 고품질 결정성 필름을 사용한다.
Description
정부
권리에 대한 언급
본 발명은 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 DMR1234096 하에서 미국 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2017년 6월 28일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/525,885호의 우선권을 주장하며, 그에 따라, 이 문헌의 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
스핀 궤도 효과(spin-orbit effects)로부터 유래하는 전류 유도 스핀 토크(current-induced spin-torque)는 자기 장치의 전기적 조작을 위한 에너지 효율적인 방식을 제공한다. 스핀 궤도 토크 생성의 성능 지수(figure of merit)인 스핀 궤도 토크 비율의 큰 값은 스핀트로닉스에서 광범위한 응용을 가능하게 하는데 매우 바람직하다. 많은 노력이 반도체, 중금속, 및 산화물에 집중되어 왔으며, 또한 더욱 최근에는, 스핀 모멘텀 잠금 표면 상태(spin-momentum locked surface state)를 갖는 위상학적 절연체(topological insulators)에 집중되고 있다.
자기 메모리 장치를 포함하는 자기 스위칭 장치가 제공된다. 또한, 자기 스위칭 장치에서 강자성 재료 층의 자기 모멘트를 스위칭하는 방법, 및 스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리 셀(spin-torque magnetoresistance random access memory cell)에서 메모리를 판독 및 기록하는 방법이 제공된다.
자기 스위칭 장치의 일 구현예는 다음을 포함한다: 기재; 상기 기재 상의 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층으로서, 상기 기재가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 압축 또는 인장 변형을 유도하는, 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층; 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층 상의 강자성 재료 층; 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층과 전기적으로 연통하는 제1 전극; 및 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층과 전기적으로 연통하는 제2 전극. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 충전 전류를 통과시키도록 구성된다.
본 명세서에서 기술되는 유형의 자기 스위칭 장치에서 강자성 재료 층의 자기 모멘트를 스위칭하는 방법의 일 구현예는, 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 충전 전류를 통과시킴으로써, 수직 스핀 분극 전류(perpendicular spin polarized current)가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 생성되어 상기 강자성 재료 층 내로 전달되도록 하여, 상기 강자성 재료의 자기 모멘트를 스위칭하는 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque)를 상기 강자성 재료 내에 생성시키는 단계를 포함한다.
스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리 셀의 일 구현예는 다음을 포함한다: 기재; 상기 기재 상의 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층으로서, 상기 기재가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 압축 또는 인장 변형을 유도하는, 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층; 및 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층 상의 자기 터널 접합부. 상기 자기 터널 접합부는 다음을 포함한다: 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층과 계면을 형성하는 자유 층(free layer)으로서, 강자성 재료의 에피택셜 층을 포함하는 자유 층; 상기 자유 층 상의 유전체 스페이서 층; 및 상기 유전체 스페이서 층 상의 강자성 재료를 포함하는 고정 층(fixed layer).
본 명세서에서 기술되는 유형의 스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리 셀에서 메모리를 판독 및 기록하는 방법의 일 구현예는 다음 단계들을 수반한다: 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 평면내 충전 전류를 통과시킴으로써, 수직 스핀 분극 전류가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 생성되어 상기 자유 층 내로 전달되도록 하여, 상기 자유 층의 자기 모멘트를 스위칭하는 스핀 궤도 토크를 상기 자유 층 내에 생성시키는 단계; 및 상기 자기 터널 접합부의 저항을 측정하는 단계.
본 발명의 다른 주요 특징들 및 이점들은, 하기 도면, 상세한 설명, 및 첨부된 청구항들을 검토함으로써, 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 설명할 것이며, 여기서 동일한 지시 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1a 내지 1f는 SrIrO3에서의 스핀-홀 효과(spin-Hall effect)의 메커니즘 및 Py/SrIrO3//SrTiO3 시스템의 구조적 특성을 보여준다. 도 1a는 벌크 사방정계 페로브스카이트 SrIrO3의 전자 밴드 구조를 보여준다. 도 1b는 벌크 SrIrO3에 대한 에너지 분산, 및 kb = π 평면에서의 운동량-분해 스핀-홀 전도도(momentum-resolved spin-Hall conductivity)를 보여준다. 바닥의 원호는 운동량-분해 스핀-홀 전도도를 나타내며, 이는 주어진 페르미 준위 아래의 점유된 전자 준위들에 대해 합산된 순 베리 곡률(net Berry curvature)이다. 도 1c는 SrIrO3 결정 구조를 보여준다. 도 1d의 (D)는 Py/SrIrO3//SrTiO3의 주사 투과 전자 현미경 이미지를 도시한다. 도 1d의 (E)는 상단부 Py/SrIrO3 계면의 확대된 이미지를 보여주는데, 이는 원자적으로 예리한 계면들(atomically-sharp interfaces)을 갖는 고품질 SrIrO3 필름을 보여준다. 도 1d의 (F)는 하단부 SrIrO3//SrTiO3 계면의 확대된 이미지를 보여주는데, 이는 원자적으로 예리한 계면들을 갖는 고품질 SrIrO3 필름을 보여준다. 원자 성분들의 적층(stacking)은, 다양한 음영들을 갖는 겹쳐지고 채워진 점들(superimposed filled dots)에 의해, 확대된 이미지에서 강조표시된다.
도 2a 내지 2d는 ST-FMR 측정 및 선 형상 분석(line shape analysis)을 보여준다. 도 2a는 SrTiO3(001) 상의 Py/SrIrO3 이중층 및 전류-유도 토크 지오메트리(current-induced torque geometries)의 개략도(왼쪽); 및 Py/SrIrO3//SrTiO3의 원자 구조(오른쪽);이다. 도 2b는, 마이크로파 전류가 [010]c 축을 따라 인가된 상태에서의, 3.5 nm Py/8 nm(20 uc) SrIrO3 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼(로렌츠 함수에 피팅(fitting)됨, 실선)을 도시한다. 파선은 대칭 및 반대칭 성분들(symmetric and antisymmetric components)의 피팅을 나타낸다. 외부 자기장은 전류 축에 대해 각도 φ = -45 °로 배향된다. 인가된 마이크로파 주파수 및 전력은 5.5 GHz 및 12 dBm이다. 장치 막대(device bar)에 걸친 Vmix는 DC 전압계에 의해 획득된다. 도 2c는 외부 자기장 각도 φ의 함수로서 대칭 및 반대칭 공진 성분들을 보여주는데, 이들은
에 피팅되어 있다. 도 2d는, 측정된 스핀-토크 비율(spin-torque ratio)의 평면내 결정학적 배향(기재의 결정학적 방향에 대해 [100]c로부터 [010]c를 따라 인가된 전류) 의존성을 도시한다. 외부 자기장 각도는 φ = 45 °로 고정된다. 실선은 
에 대한 피팅을 보여준다.
도 3a 및 3b는 DC 바이어스된 전류에 의한 ST-FMR 측정을 보여준다. 도 3a는 Py/SrIrO3에 대한 SrIrO3에서의 DC 전류밀도의 함수로서 공진 선폭(resonance linewidth) 및 유효 자기 감쇠(effective magnetic damping)를 보여준다. 도 3b는, 양 및 음 둘 다의 외부 자기장을 갖는 상황하에서 Py/SrRuO3에서 DC 전류밀도의 함수로서 공진 선폭 및 유효 자기 감쇠를 보여준다. 실선은 선형 피팅을 나타낸다. 도 3c는 Py/SrIrO3 샘플에 대한 외부 자기장 각도의 함수로서 Py 유효 감쇠의 전류 유도 변조를 보여준다. 실선은
에 피팅되는 것을 보여준다. Py/SrRuO3 데이터 포인트들은 φ = 45 ° 및 -135 °에서 취해졌다.
도 4a 내지 4h는 격자 대칭 안정화를 이용한 스핀-홀 전도도(spin-Hall conductivity: SHC)의 제어, 및 선형 응답 이론으로부터의 계산을 도시한다. 도 4a의 (A)는 SrIrO3 두께의 함수로서 Py/SrIrO3 이중층(Py 두께가 3.5 nm로 고정되어 있음)의 SHC σ||를 보여준다. 도 4a의 (B)는 SrIrO3의 두께 의존적 사방성 계수(thickness dependent orthorhombicity factor)(a/b로 정의됨)를 보여준다. 파선은 SrIrO3 결정 대칭 전이에 대한 경향을 나타낸다. 도 4c는 SrTiO3 상에서 성장할 때 두께에 의존하는 IrO6 팔면체 왜곡으로부터 발생하는 SrIrO3 격자 대칭 변화의 도식적 예시를 보여준다. 도 4d는 페르미 에너지
의 함수로서 3개의 상이한 측정 지오메트리들(
, 
, 
,)에 대해 계산된 벌크 SHC를 보여준다. 측정 지오메트리는 
:
(외부 전기장의 방향), 
(유도된 스핀 전류의 방향), 및 
(스핀 분극 방향)의 세 가지 지표들에 의해 특정된다. 도 4e의 (E)는 SrIrO3 격자의 도식적 예시도, 및 이에 상응하는, 3개의 직교 벡터들의 필름 실험 구성(film experimental configuration)이다. 도 4e의 (F)는 페르미 준위 = -1.3 eV에서 브릴루앙 구역(Brillouin zone) 내의 운동량-분해 SHC 
를 보여준다. 도 4e의 (G)는 페르미 준위 = -0.5 eV에서 브릴루앙 구역 내의 운동량-분해 SHC 
를 보여준다. 도 4e의 (H)는 페르미 준위 = 1.2 eV에서 브릴루앙 구역 내의 운동량-분해 SHC 
를 보여준다. 페르미 준위가 증가함에 따라, 
의 분포는 페르미 표면의 형상에 따라 변한다.
도 5a 내지 5b는 SrIrO3 합성 및 헤테로구조체 표면 모폴로지를 보여준다. 도 5a는 SrTiO3(001) 기재 상의 20 uc(8 nm) SrIrO3 박막 필름의 선명한 층별 성장을 보여주는 SrIrO3 성장의 RHEED 강도 데이터를 보여준다. 성장이 끝났을 때의 RHEED 패턴(오른쪽 삽입도)은, SrTiO3 기재(왼쪽 삽입도)에 비해 표면 거칠기가 최소화된 고품질 SrIrO3 박막 필름을 나타낸다. 도 5b는 처리된 SrTiO3 기재 및 1 nm AlOx/3 nm Py/8 nm SrIrO3의 후속적으로 증착된 헤테로구조체의 원자힘 현미경 이미지를 도시하며, 원자적으로 평활한 SrTiO3 기재 표면이 거의 보존되는 것을 보여준다.
도 6a 내지 6c는 x선 회절로부터 SrIrO3 박막 필름의 에피택셜 구조 및 결맞음(coherence)을 보여준다. 도 6a는 SrTiO3(001) 기재 상의 30 uc(12 nm) SrIrO3 박막 필름의 2θ-ω x선 스캔을 보여주며, 매끄러운 표면 및 기재와의 예리한 계면을 나타내는 두께 진동을 갖는 단일상(single-phase) SrIrO3를 보여준다. 도 6b는 기저의 SrTiO3 기재와의 동등한 의사등축정계 에피택셜 배열을 보여주는 SrIrO3 필름의 φ-스캔을 도시한다. 도 6c는 (-103) SrTiO3 기재 피크 주위의 역격자 공간 맵핑(reciprocal space mappings)을 보여주는데, 이는, SrTiO3 기재 상의 SrIrO3 필름의 완전히 결맞은 평면내 격자를 확인시켜 준다.
도 7a 내지 7c는 싱크로트론 x선 회절에 의한 SrIrO3 대칭의 측정을 도시한다. 도 7a는 SrTiO3(001) 기재 상의 8, 12, 16 및 20 uc SrIrO3 필름의 {103} 의사등축정계 반사(pseudocubic reflection) 주위의 통합된 역격자 공간 맵핑(integrated reciprocal space mappings)을 도시한다. (103) 및 (-103) 필름 피크 위치들의 분리(이는 기재로부터의 결맞은 에피택셜 변형으로 인한 SrIrO3 필름의 평면외 기울어짐(out-of-plane tilt)을 나타냄)은 20 uc 내지 8 uc로부터 0으로 감소하는 것으로 나타나 있는데, 이는, 거의 정방정계에 유사한 구조로의, 왜곡된 사방정계 기울어짐(distorted orthorhombic tilt)의 전역적인 SrIrO3 억제(global SrIrO3 suppression)를 나타낸다. 도 7b는 사방정계 (221) SrIrO3 피크의 강도를 보여주는데, 이는 20 uc로부터 8 uc로 감소한다. 도 7c는 필름 두께의 함수로서 SrIrO3 (103) 의사등축정계 및 (221) 사방정계 피크 강도들의 강도 비교를 도시한다.
도 8a 내지 8d는 ST-FMR 선 형상에 의한 스핀-홀 각도의 계산 및 마이크로파 전류의 캘리브레이션을 도시한다. 도 8a는 f = 5.5 GHz 및 φ = -135 °에서 3.5 nm Py/20 uc SrIrO3 이중층 샘플(20 μm Х 40 μm)에 대한 혼합 전압 Vmix의 대칭 및 반대칭 성분들의 마이크로파 전력 의존성(microwave power dependence)을 나타낸다. 도 8b는 외부 자기장 각도 φ의 함수로서 동일한 장치의 저항 R을 보여준다. △R은, dR/dφ 추출을 위해, cos(2φ)에 피팅된다. 도 8c는, 줄 가열 효과(Joule heating effect)로 인한, 인가된 마이크로파 전력(정사각형) 및 DC 전류(원)에 의해 유도된 장치 저항 변화를 보여준다. 도 8d는 ST-FMR 선 형상(정사각형) 및 DC-조정(dc-tuned)(원) 분석으로부터 측정된 20 uc SrIrO3 샘플의 주파수 의존적 스핀 토크 비율을 보여준다.
도 9a 내지 9c는 다양한 주파수 f에서 3.5 nm Py/20 uc SrIrO3 이중층에서의 스핀 토크 강자성 공진(spin-torque ferromagnetic resonance: ST-FMR)을 도시한다. 도 9a는, 다양한 f(4.5 내지 6.5 GHz)에서, 외부 자기장 Hext 각도가 45 ° 및 -135°인 상태에서, Py/SrIrO3 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼을 보여준다. 삽입도는 장치 배치(device layout)의 광학 이미지 및 ST-FMR 측정 회로를 보여준다. 도 9b는 공진 자기장 HFMR에 대한 주파수 f의 의존성을 보여준다. 이 데이터를 키텔(Kittel) 방정식에 피팅한 결과, 0.85T의 유효 자화를 얻었다. 도 9c는 공진 선폭 W의 주파수 f 의존성을 도시한다. 실선 곡선은 선형 함수에 대한 피팅을 보여주며, 그 결과, 길버트(Gilbert) 감쇠 계수가 0.011인 것으로 나타났다.
도 10a 내지 10f는 SrIrO3 두께 의존적 스핀 궤도 비율 및 Py 길버트 감쇠를 도시한다. 도 10a의 (A)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 8 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 도 10a의 (B)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 12 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 도 10c의 (C)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 16 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 도 10c의 (D)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 20 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 실선은 선형 피팅을 나타낸다. 모든 측정은 외부 자기장이 φ = -135°에서 인가된 상태에서 취해졌다. 마이크로파 전력은 12 dBm이고 주파수는 5.5 GHz이었다. 도 10e는, DC 바이어스된 ST-FMR 측정에 의해 결정된 스핀 궤도 비율
의 SrIrO3 두께 의존성을 보여준다. 도 10f는 ST-FMR 및 광대역 FMR 측정에 의해 결정된 길버트 감쇠 파라미터 α의 SrIrO3 두께 의존성을 보여준다. 파선 곡선은 확산 스핀 펌핑 모델(diffusive spin-pumping model)에 대한 피팅을 나타낸다.
도 11a 및 11b는 엑스-시투(ex-situ) Py 증착 및 노출된(bare) Py 대조군 샘플에 대한 ST-FMR 측정을 보여준다. 도 11a는 인-시투(정사각형) 및 엑스-시투(원) 증착된 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼을 도시한다. 마이크로파 전력은 f = 6 GHz의 주파수에서 12 dBm으로 고정된다. 외부 자기장 Hext는 전류 축에 대해 각도 φ = 45°로 배향된다. 도 11b는 φ = 45 ° 및 f = 5.5 GHz에서 취한 노출된(bare) 10 nm Py 대조군 샘플의 ST-FMR 스펙트럼을 보여준다. 마이크로파 전력은 12 dBm으로 고정된다.
도 12a 내지 12d는 Pt/Py 대조군 샘플에 대한 ST-FMR 측정을 보여준다. 도 12a는 φ = -135°에서 다양한 Idc가 인가된 상태에서, 4 nm Pt/4 nm Py//SrTiO3 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼이다. 마이크로파 전력은 12 dBm으로 고정되었고 주파수는 5.5 GHz로 고정되었다. 도 12b는 도 12a에 도시된 공진 피크의 확대도를 보여준다. 도 12c는, Pt/Py에 대한, 인가된 전류 및 이에 상응하는 Pt에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭 및 유효 자기 감쇠를 보여준다. 실선은 선형 피팅을 나타낸다. 도 12d는 다양한 마이크로파 주파수에서 측정된 Pt/Py 이중층의 스핀 토크 비율 및 스핀-홀 전도도를 도시한다.
도 13a 및 13b는 SrIrO3 박막 필름의 수송 및 DC 전류 분율(transport and dc current fraction)을 도시한다. 도 13a는 전류가 SrTiO3 [100] 및 [010] 방향들 모두를 따라 인가된 상태에서, 20 uc SrIrO3//SrTiO3 샘플의 저항률의 온도 의존성을 보여준다. 도 13b는 다양한 SrIrO3 두께를 갖는 3.5 nm Py/SrIrO3//SrTiO3의 SrIrO3 실온 저항률 및 전류 분율을 보여준다.
도 14의 (A) 내지 (C)는 제로 페르미 에너지에 대한 운동량-분해 스핀-홀 전도도(momentum-resolved spin-Hall conductivity)를 도시한다. 도 14의 (A), (B) 및 (C)의 3 가지 경우는 각각, 도 4d에서, 제로 에너지에서의 원, 삼각형, 및 정사각형 곡선들에 상응한다.
도 15a는 스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리 셀의 도식적 다이어그램이다. 도 15b는 도 15a의 메모리 셀에 대한 회로 구성을 도시한다.
도 16a는 자기 메모리 셀 배열을 3차원적으로 보여주는 도식적 다이어그램이다. 도 16b는 자기 메모리 셀 배열을 2차원적으로 보여주는 도식적 다이어그램이다.
도 17은, 퍼멀로이 (Py) 상층(overlayer)을 갖는, SrTiO3, DyScO3, GdScO3 및 NdScO3 상에서 성장된 SrIrO3 필름에 대한 격자 부정합-의존적 스핀 궤도 비율의 그래프이다.
도 1a 내지 1f는 SrIrO3에서의 스핀-홀 효과(spin-Hall effect)의 메커니즘 및 Py/SrIrO3//SrTiO3 시스템의 구조적 특성을 보여준다. 도 1a는 벌크 사방정계 페로브스카이트 SrIrO3의 전자 밴드 구조를 보여준다. 도 1b는 벌크 SrIrO3에 대한 에너지 분산, 및 kb = π 평면에서의 운동량-분해 스핀-홀 전도도(momentum-resolved spin-Hall conductivity)를 보여준다. 바닥의 원호는 운동량-분해 스핀-홀 전도도를 나타내며, 이는 주어진 페르미 준위 아래의 점유된 전자 준위들에 대해 합산된 순 베리 곡률(net Berry curvature)이다. 도 1c는 SrIrO3 결정 구조를 보여준다. 도 1d의 (D)는 Py/SrIrO3//SrTiO3의 주사 투과 전자 현미경 이미지를 도시한다. 도 1d의 (E)는 상단부 Py/SrIrO3 계면의 확대된 이미지를 보여주는데, 이는 원자적으로 예리한 계면들(atomically-sharp interfaces)을 갖는 고품질 SrIrO3 필름을 보여준다. 도 1d의 (F)는 하단부 SrIrO3//SrTiO3 계면의 확대된 이미지를 보여주는데, 이는 원자적으로 예리한 계면들을 갖는 고품질 SrIrO3 필름을 보여준다. 원자 성분들의 적층(stacking)은, 다양한 음영들을 갖는 겹쳐지고 채워진 점들(superimposed filled dots)에 의해, 확대된 이미지에서 강조표시된다.
도 2a 내지 2d는 ST-FMR 측정 및 선 형상 분석(line shape analysis)을 보여준다. 도 2a는 SrTiO3(001) 상의 Py/SrIrO3 이중층 및 전류-유도 토크 지오메트리(current-induced torque geometries)의 개략도(왼쪽); 및 Py/SrIrO3//SrTiO3의 원자 구조(오른쪽);이다. 도 2b는, 마이크로파 전류가 [010]c 축을 따라 인가된 상태에서의, 3.5 nm Py/8 nm(20 uc) SrIrO3 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼(로렌츠 함수에 피팅(fitting)됨, 실선)을 도시한다. 파선은 대칭 및 반대칭 성분들(symmetric and antisymmetric components)의 피팅을 나타낸다. 외부 자기장은 전류 축에 대해 각도 φ = -45 °로 배향된다. 인가된 마이크로파 주파수 및 전력은 5.5 GHz 및 12 dBm이다. 장치 막대(device bar)에 걸친 Vmix는 DC 전압계에 의해 획득된다. 도 2c는 외부 자기장 각도 φ의 함수로서 대칭 및 반대칭 공진 성분들을 보여주는데, 이들은
도 3a 및 3b는 DC 바이어스된 전류에 의한 ST-FMR 측정을 보여준다. 도 3a는 Py/SrIrO3에 대한 SrIrO3에서의 DC 전류밀도의 함수로서 공진 선폭(resonance linewidth) 및 유효 자기 감쇠(effective magnetic damping)를 보여준다. 도 3b는, 양 및 음 둘 다의 외부 자기장을 갖는 상황하에서 Py/SrRuO3에서 DC 전류밀도의 함수로서 공진 선폭 및 유효 자기 감쇠를 보여준다. 실선은 선형 피팅을 나타낸다. 도 3c는 Py/SrIrO3 샘플에 대한 외부 자기장 각도의 함수로서 Py 유효 감쇠의 전류 유도 변조를 보여준다. 실선은
도 4a 내지 4h는 격자 대칭 안정화를 이용한 스핀-홀 전도도(spin-Hall conductivity: SHC)의 제어, 및 선형 응답 이론으로부터의 계산을 도시한다. 도 4a의 (A)는 SrIrO3 두께의 함수로서 Py/SrIrO3 이중층(Py 두께가 3.5 nm로 고정되어 있음)의 SHC σ||를 보여준다. 도 4a의 (B)는 SrIrO3의 두께 의존적 사방성 계수(thickness dependent orthorhombicity factor)(a/b로 정의됨)를 보여준다. 파선은 SrIrO3 결정 대칭 전이에 대한 경향을 나타낸다. 도 4c는 SrTiO3 상에서 성장할 때 두께에 의존하는 IrO6 팔면체 왜곡으로부터 발생하는 SrIrO3 격자 대칭 변화의 도식적 예시를 보여준다. 도 4d는 페르미 에너지
도 5a 내지 5b는 SrIrO3 합성 및 헤테로구조체 표면 모폴로지를 보여준다. 도 5a는 SrTiO3(001) 기재 상의 20 uc(8 nm) SrIrO3 박막 필름의 선명한 층별 성장을 보여주는 SrIrO3 성장의 RHEED 강도 데이터를 보여준다. 성장이 끝났을 때의 RHEED 패턴(오른쪽 삽입도)은, SrTiO3 기재(왼쪽 삽입도)에 비해 표면 거칠기가 최소화된 고품질 SrIrO3 박막 필름을 나타낸다. 도 5b는 처리된 SrTiO3 기재 및 1 nm AlOx/3 nm Py/8 nm SrIrO3의 후속적으로 증착된 헤테로구조체의 원자힘 현미경 이미지를 도시하며, 원자적으로 평활한 SrTiO3 기재 표면이 거의 보존되는 것을 보여준다.
도 6a 내지 6c는 x선 회절로부터 SrIrO3 박막 필름의 에피택셜 구조 및 결맞음(coherence)을 보여준다. 도 6a는 SrTiO3(001) 기재 상의 30 uc(12 nm) SrIrO3 박막 필름의 2θ-ω x선 스캔을 보여주며, 매끄러운 표면 및 기재와의 예리한 계면을 나타내는 두께 진동을 갖는 단일상(single-phase) SrIrO3를 보여준다. 도 6b는 기저의 SrTiO3 기재와의 동등한 의사등축정계 에피택셜 배열을 보여주는 SrIrO3 필름의 φ-스캔을 도시한다. 도 6c는 (-103) SrTiO3 기재 피크 주위의 역격자 공간 맵핑(reciprocal space mappings)을 보여주는데, 이는, SrTiO3 기재 상의 SrIrO3 필름의 완전히 결맞은 평면내 격자를 확인시켜 준다.
도 7a 내지 7c는 싱크로트론 x선 회절에 의한 SrIrO3 대칭의 측정을 도시한다. 도 7a는 SrTiO3(001) 기재 상의 8, 12, 16 및 20 uc SrIrO3 필름의 {103} 의사등축정계 반사(pseudocubic reflection) 주위의 통합된 역격자 공간 맵핑(integrated reciprocal space mappings)을 도시한다. (103) 및 (-103) 필름 피크 위치들의 분리(이는 기재로부터의 결맞은 에피택셜 변형으로 인한 SrIrO3 필름의 평면외 기울어짐(out-of-plane tilt)을 나타냄)은 20 uc 내지 8 uc로부터 0으로 감소하는 것으로 나타나 있는데, 이는, 거의 정방정계에 유사한 구조로의, 왜곡된 사방정계 기울어짐(distorted orthorhombic tilt)의 전역적인 SrIrO3 억제(global SrIrO3 suppression)를 나타낸다. 도 7b는 사방정계 (221) SrIrO3 피크의 강도를 보여주는데, 이는 20 uc로부터 8 uc로 감소한다. 도 7c는 필름 두께의 함수로서 SrIrO3 (103) 의사등축정계 및 (221) 사방정계 피크 강도들의 강도 비교를 도시한다.
도 8a 내지 8d는 ST-FMR 선 형상에 의한 스핀-홀 각도의 계산 및 마이크로파 전류의 캘리브레이션을 도시한다. 도 8a는 f = 5.5 GHz 및 φ = -135 °에서 3.5 nm Py/20 uc SrIrO3 이중층 샘플(20 μm Х 40 μm)에 대한 혼합 전압 Vmix의 대칭 및 반대칭 성분들의 마이크로파 전력 의존성(microwave power dependence)을 나타낸다. 도 8b는 외부 자기장 각도 φ의 함수로서 동일한 장치의 저항 R을 보여준다. △R은, dR/dφ 추출을 위해, cos(2φ)에 피팅된다. 도 8c는, 줄 가열 효과(Joule heating effect)로 인한, 인가된 마이크로파 전력(정사각형) 및 DC 전류(원)에 의해 유도된 장치 저항 변화를 보여준다. 도 8d는 ST-FMR 선 형상(정사각형) 및 DC-조정(dc-tuned)(원) 분석으로부터 측정된 20 uc SrIrO3 샘플의 주파수 의존적 스핀 토크 비율을 보여준다.
도 9a 내지 9c는 다양한 주파수 f에서 3.5 nm Py/20 uc SrIrO3 이중층에서의 스핀 토크 강자성 공진(spin-torque ferromagnetic resonance: ST-FMR)을 도시한다. 도 9a는, 다양한 f(4.5 내지 6.5 GHz)에서, 외부 자기장 Hext 각도가 45 ° 및 -135°인 상태에서, Py/SrIrO3 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼을 보여준다. 삽입도는 장치 배치(device layout)의 광학 이미지 및 ST-FMR 측정 회로를 보여준다. 도 9b는 공진 자기장 HFMR에 대한 주파수 f의 의존성을 보여준다. 이 데이터를 키텔(Kittel) 방정식에 피팅한 결과, 0.85T의 유효 자화를 얻었다. 도 9c는 공진 선폭 W의 주파수 f 의존성을 도시한다. 실선 곡선은 선형 함수에 대한 피팅을 보여주며, 그 결과, 길버트(Gilbert) 감쇠 계수가 0.011인 것으로 나타났다.
도 10a 내지 10f는 SrIrO3 두께 의존적 스핀 궤도 비율 및 Py 길버트 감쇠를 도시한다. 도 10a의 (A)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 8 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 도 10a의 (B)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 12 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 도 10c의 (C)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 16 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 도 10c의 (D)는, 3.5 nm Py/SrIrO3(SrIrO3 두께는 20 uc)에 대한, 인가 전류 및 이에 상응하는 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭의 변화를 보여준다. 실선은 선형 피팅을 나타낸다. 모든 측정은 외부 자기장이 φ = -135°에서 인가된 상태에서 취해졌다. 마이크로파 전력은 12 dBm이고 주파수는 5.5 GHz이었다. 도 10e는, DC 바이어스된 ST-FMR 측정에 의해 결정된 스핀 궤도 비율
도 11a 및 11b는 엑스-시투(ex-situ) Py 증착 및 노출된(bare) Py 대조군 샘플에 대한 ST-FMR 측정을 보여준다. 도 11a는 인-시투(정사각형) 및 엑스-시투(원) 증착된 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼을 도시한다. 마이크로파 전력은 f = 6 GHz의 주파수에서 12 dBm으로 고정된다. 외부 자기장 Hext는 전류 축에 대해 각도 φ = 45°로 배향된다. 도 11b는 φ = 45 ° 및 f = 5.5 GHz에서 취한 노출된(bare) 10 nm Py 대조군 샘플의 ST-FMR 스펙트럼을 보여준다. 마이크로파 전력은 12 dBm으로 고정된다.
도 12a 내지 12d는 Pt/Py 대조군 샘플에 대한 ST-FMR 측정을 보여준다. 도 12a는 φ = -135°에서 다양한 Idc가 인가된 상태에서, 4 nm Pt/4 nm Py//SrTiO3 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼이다. 마이크로파 전력은 12 dBm으로 고정되었고 주파수는 5.5 GHz로 고정되었다. 도 12b는 도 12a에 도시된 공진 피크의 확대도를 보여준다. 도 12c는, Pt/Py에 대한, 인가된 전류 및 이에 상응하는 Pt에서의 전류밀도의 함수로서, 공진 선폭 및 유효 자기 감쇠를 보여준다. 실선은 선형 피팅을 나타낸다. 도 12d는 다양한 마이크로파 주파수에서 측정된 Pt/Py 이중층의 스핀 토크 비율 및 스핀-홀 전도도를 도시한다.
도 13a 및 13b는 SrIrO3 박막 필름의 수송 및 DC 전류 분율(transport and dc current fraction)을 도시한다. 도 13a는 전류가 SrTiO3 [100] 및 [010] 방향들 모두를 따라 인가된 상태에서, 20 uc SrIrO3//SrTiO3 샘플의 저항률의 온도 의존성을 보여준다. 도 13b는 다양한 SrIrO3 두께를 갖는 3.5 nm Py/SrIrO3//SrTiO3의 SrIrO3 실온 저항률 및 전류 분율을 보여준다.
도 14의 (A) 내지 (C)는 제로 페르미 에너지에 대한 운동량-분해 스핀-홀 전도도(momentum-resolved spin-Hall conductivity)를 도시한다. 도 14의 (A), (B) 및 (C)의 3 가지 경우는 각각, 도 4d에서, 제로 에너지에서의 원, 삼각형, 및 정사각형 곡선들에 상응한다.
도 15a는 스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리 셀의 도식적 다이어그램이다. 도 15b는 도 15a의 메모리 셀에 대한 회로 구성을 도시한다.
도 16a는 자기 메모리 셀 배열을 3차원적으로 보여주는 도식적 다이어그램이다. 도 16b는 자기 메모리 셀 배열을 2차원적으로 보여주는 도식적 다이어그램이다.
도 17은, 퍼멀로이 (Py) 상층(overlayer)을 갖는, SrTiO3, DyScO3, GdScO3 및 NdScO3 상에서 성장된 SrIrO3 필름에 대한 격자 부정합-의존적 스핀 궤도 비율의 그래프이다.
자기 메모리 장치를 포함하는 자기 스위칭 장치가 제공된다. 이 장치는, 스핀-홀 효과를 통해 인접한 강자성 재료에서 스핀 궤도 토크를 생성하기 위한 강한 스핀 궤도 커플링(SOC)을 갖는 에피택셜 성장된 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트의 단결정 필름을 사용한다. 본 장치의 구현예들에서, 스핀 궤도 토크는, 심지어 실온 또는 그 근처(예를 들어, ~ 23 ℃)에서도, 고효율로 생성될 수 있다.
자기 스위칭 장치의 일 구현예는 다음을 포함한다: 기재, 상기 기재 상의 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층, 및 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층 상의 강자성 재료 층. 스위칭 장치에서, 강자성 재료의 자기 모멘트는, 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 충전 전류를 통과시키고, 이에 의해, 수직 스핀 분극 전류가 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 생성되어 강자성 재료 층 내로 전달됨으로써, 스위칭될 수 있다. 이것은 강자성 재료에서 스핀 궤도 토크를 생성하고, 이는 강자성 재료에서 전자의 스핀을 스위칭한다.
4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트는 화학식 ABO3을 갖는 산화물이며, 여기서, A는 알칼리토 금속 양이온과 같은 제1 금속 양이온이고, B는 4d 또는 5d 전이금속 양이온이다. 페로브스카이트의 결정 구조는 3차원 배열의 공유 모서리들(shared corners)을 갖는 BO6 팔면체인 것을 특징으로 하며, 이때, 8 면체들 사이의 자리들을 A 양이온들이 점유한다. 본 장치 및 방법에서 사용되는 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트는, 결정 구조 내의 BO6 팔면체 구성 블록들이 이상적인 등축정계 구조에 대해 기울어져 있는 팔면체 연결성(octahedral connectivity)을 특징으로 한다.
4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트에서의 팔면체 기울어짐(octahedral tilt)은, 성장 기재와 성장하는 페로브스카이트 사이의 격자 부정합의 결과로서 페로브스카이트 필름 상에 압축 변형 또는 인장 변형을 유도하는 성장 기재 상에서 페로브스카이트를 에피택셜하게 성장시킴으로써 달성되거나 향상될 수 있다. 결과적으로, 결정 구조 내의 BO6 팔면체는 기울어지게 된다. 실시예들에서 예시되는 바와 같이, 이들 기울어진 팔면체는 페로브스카이트 필름에서 향상된 스핀-홀 효과를 제공할 수 있다.
4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트의 일부 구현예에서, A는 Sr 또는 Ba와 같은 알칼리토 금속이다. 그 예는 SrIrO3 및 SrRuO3를 포함한다.
4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트는 고품질 단결정 필름으로서 에피택셜하게 성장될 수 있다. 에피택셜 단결정 필름은, 그 위에서 단결정이 성장하는 단결정 성장 기재에 의해 결정된 특정 배향으로 단결정이 성장하는 것을 특징으로 한다. 에피택셜 필름은, 그들의 성장 기재와, 그리고 이후에 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 상에서 성장된 에피택셜 강자성 층과 원자적으로 예리한 계면(atomically sharp interfaces)을 형성할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단결정 필름이라는 문구는 완전한 결정성을 갖는 필름, 및 또한, 전위(dislocations)와 같은 작은 농도의 결함들을 갖는 거의 완벽한 단결정 필름(여기서, 결함의 개수는 필름을 포함하는 장치의 성능이 현저하게 저하되지 않을 정도로 충분히 낮음)을 지칭한다. 원자적으로 예리한 계면은 효율적인 스핀 전류 전송 및 스핀 궤도 토크 생성을 제공한다.
4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 필름의 다양한 장치 구성은, 예를 들어 포토리소그래피를 사용하여, 다양한 평면내 결정학적 방향들을 따라 패턴화될 수 있다. 예시로서, UV 노출 및 후속 이온 밀링이, [010] 평면내 결정학적 배향(여기서, [010]은 등축정계 기재 결정학적 방향을 지칭함)을 갖는 4d 전이금속 페로브스카이트 필름, 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 필름을 제공하는데 사용될 수 있다. 실시예 1에 예시되는 바와 같이, 이는, [100]과 같은 다양한 결정학적 방향들에 의해 생성된 스핀 궤도 토크보다 높은 스핀 궤도 토크를 인접 강자성 재료에서 발생시킬 수 있다.
페로브스카이트 층의 유용한 임계 두께까지의 에피택셜 성장을 허용하는 한, 다양한 기재들이 에피택셜 성장에 사용될 수 있다. 장치의 일부 구현예들에서, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 필름은 1 nm 내지 50 nm 범위의 두께로 성장된다. 그러나, 두꺼운 필름(> 50 nm)에 대해 고품질 필름이 유지될 수 있기 때문에, 이 범위를 벗어난 필름 두께가 사용될 수 있다. 그러나, 주어진 양의 전류 흐름(즉, 동일한 양의 줄 가열(Joule heating))에 대해, 두꺼운 필름에서의 전류밀도는 얇은 필름에서의 전류밀도보다 낮을 수 있다. 다시 말해, 동일한 효율(스핀-홀 각도)이 주어졌을 때, 두꺼운 필름에 기초한 장치는 더 많은 에너지를 소비한다. 이러한 이유로, 낮은 에너지 소비가 중요한 용도의 경우 더 얇은 필름이 바람직할 수 있다. 초박형 페로브스카이트 필름이 사용될 수 있다. 그러나, 필름이 너무 얇아서 절연성이 되어 재료에서 스핀-홀 효과를 억제하지 않아야 한다.
성장 기재는, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트와 작은 격자 불일치를 갖고, 그 결과, 격자 불일치 유도 변형을 페로브스카이트에 부여하도록(이는 페로브스카이트의 결정 구조 내의 단위 셀을 왜곡시킴), 선택될 수 있다. ABO3 결정 구조를 갖는 산화물 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트는 다른 페로브스카이트를 위한 에피택셜 성장 기재로서 사용될 수 있다. SrIrO3와 같은 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트를 위한 성장 기재의 하나의 예시적인 예는 등축정계 페로브스카이트 SrTiO3 (001)이다. 다른 예는 다음을 포함한다: DyScO3, GdScO3, NdScO3, LSAT ([LaAlO3]0.3[Sr2AlTaO6]0.7), LaAlO3, 및 NdGaO3 기재들. 에피택셜 성장 기재는 기저의 베이스 층 상에 형성된 성장 층으로 이루어진 다층 기재일 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 기재는 기저의 실리콘 웨이퍼 상에 성장되거나 증착되는 성장 층을 포함한다.
강자성 재료는, 예를 들어, 금속, 휴슬러 합금(Heusler alloy)을 포함하는 금속 합금, 또는 금속 산화물일 수 있다. 적합한 전이금속 및 전이금속 합금은 다음을 포함한다: Ni, Fe, Co 및 이들의 합금(예를 들어, Ni-Fe 합금, Fe-Co 합금, Ni-Co 합금, Fe-Co-B 합금, Fe-Ga 합금, Co-Pd 합금, Fe-Pt 합금, 및 Fe-Pd 합금). 휴슬러 합금은 다음을 포함한다: Co2MnSi, Co2FeSi, Co2FeAl, Co2MnAl, Co2MnGa, 및 Co2FeGe. 금속 산화물은 다음을 포함한다: Y3Fe5O12, Fe3O4, ZnFe2O4, MgFe2O4 MnFe2O4, CoFe2O, NiFe2O4, LaSrMnO3, LaMnO3, LaCaMnO3, LaBaMnO3, Sr2FeMoO6, Sr2CrMoO6.
스위칭 장치의 일부 구현예에서, 강자성 재료는 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층 상에서 에피택셜 성장된다. 이는, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트와 강자성 재료 사이의 예리한 계면을 갖는 고품질의 단결정 필름을 생성하여 매우 효율적인 스핀 전류 전송을 가능하게 하기 때문에, 유리하다. 그러나, 강자성 재료는 다른 수단에 의해 형성될 수도 있다. 예를 들어, 금속 층 및 금속 합금 층은, 스퍼터 증착을 통해, 무작위 배향된 입자들(grains)을 포함하는 다결정 층으로서 증착될 수 있다. 일부 장치에서, 강자성 재료는 자기 터널 접합부(magnetic tunnel junction: MTJ)와 같은 다층 구조에서 하나의 층으로서 제공된다. MTJ에서, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 필름과의 계면을 형성하는 강자성 재료 층은, 아래에서 도 15a와 관련하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 비자성 재료의 얇은 층(스페이서 층)에 의해 통상적으로 더 두꺼운 제2 강자성 층(고정 층)으로부터 분리되는 제1 강자성 층(자유 층)을 제공한다. 캡핑 층이 강자성 재료의 임의의 노출된 표면 위에 제공되어 이들 재료의 산화를 방지하거나 감소시킬 수 있다. Al2O3와 같은 금속 산화물이 캡핑 층으로서 사용될 수 있다.
자기 스위칭 장치는 논리 및 메모리 장치를 포함한 다양한 스핀 궤도 토크 기반 스위칭 응용 제품에 사용될 수 있다. 자기 메모리 장치의 기본 구현예에서, 한 쌍의 전극이 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 충전 전류를 통과시키도록 구성된다. 이것은 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트에서 스핀 전류를 발생시키고, 이는 강자성 재료의 인접한 층 내로 전달된다. 결과적으로, 스핀 궤도 토크가 생성되고, 재료에서 전자의 스핀이 뒤집힌다. 이 스핀 궤도 토크는 매우 높을 수 있다. 예를 들어, 장치의 일부 구현예에서, 스핀-토크 강자성 공진(ST-FMR)에 의해 측정되었을 때, 스핀 궤도 토크는 적어도 1이다. ST-FMR을 통한 스핀 궤도 토크 측정 방법은 실시예에 기재되어 있다.
도 15a는 스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리(ST-MRAM) 셀의 평면도의 도식적 다이어그램이다. 측면도가 삽입도로 제공된다. 도 15b는 STT-MRAM 셀의 회로 구성을 보여준다. 3 단자 STT-MRAM 셀의 이 구현예는, 스핀-홀 층을 제공하는 SrIrO3와 같은 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트(1502) 층 상에 자기 터널 접합부(MTJ)(1500)를 포함한다. 제1 전극(1504) 및 제2 전극(1506)은 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층(1502)과 전기적으로 연통(직접 또는 간접)하도록 배치되며, 그에 따라, 이들은 도 15b에 도시된 바와 같이 평면내 충전 전류를 그 층을 통해 통과시키도록 구성된다. 전극은 금 또는 구리와 같은 금속일 수 있다. MTJ는 다음을 포함한다: 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층(1502)과 계면을 형성하는 하부 강자성 층(자유 층)(1508); 더 두꺼운 상부 강자성 층(고정 층)(1510); 및 하부 및 상부 강자성 층들(1508, 1510) 사이의 터널 장벽으로서 기능하는 유전체 스페이서 층(1512). 강자성 재료 층과 스페이서 층에는 각각 다양한 강자성 재료 및 비자성 재료가 사용될 수 있다. 예시로서, 상부 및 하부 강자성 층들은 LaSrMnO3층일 수 있고, 스페이서 층은 SrTiO3와 같은 산화물일 수 있다. 이 구조체는, 이 구현예에서 베이스 층(1514) 및 성장 층(1516)을 포함하는 성장 기재 상에 에피택셜하게 성장될 수 있다. 이들은 예를 들어 실리콘 베이스 층 및 SrTiO3 성장 층일 수 있다. 높은 전류밀도를 달성하기 위해, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층(1502)은 낮은 폭으로 제조될 수 있고, MTJ는 작은 직경을 갖도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 메모리 셀의 일부 구현예에서, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트의 층은 2 ㎛ 이하의 폭을 가지며, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층이 1 ㎛ 이하의 폭을 갖는 구현예를 포함한다. 메모리 셀의 일부 구현예에서, MTJ는 1 μm 이하의 직경을 가지며, MTJ가 500 nm 이하의 직경을 갖는 구현예를 포함한다.
메모리 셀이 기록 동작을 수행할 때, 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통한 평면내 충전 전류 흐름은 스핀-홀 효과를 통해 MTJ의 자유 층에서 수직 스핀 전류를 발생시킨다. 이는 자유 층의 자기 모멘트를 스위칭하고 MTJ의 저항을 조정한다. 통상적으로, MTJ는, 자유 층의 자화가 고정 층의 자화와 정렬될 때, 낮은 저항 상태에 있을 것이다. 저항 측정 장치를 사용하여 MTJ의 저항을 측정함으로써 메모리 셀을 판독할 수 있다. 이는, 예를 들어 작은 감지 전류를 터널 접합부에 보내 감지 전압을 생성시킴으로써, 수행될 수 있으며, 이때, 감지 전압은, 도 15b에 도시된 바와 같이, 검출되어(예를 들어, 전압계에 의해) 저항을 측정하는데 사용될 수 있다.
자기 메모리 장치는 복수의 자기 메모리 셀을 배열로 연결함으로써 구성될 수 있다. 이러한 배열의 일 구현예는 도 16a(3D 도면) 및 도 16b(2D 도면)에 도식적으로 나타나 있다. 이 배열에서, MTJ 셀들 및 이들 각각의 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층들(스핀-홀 층들)은 메모리 요소들로서 작용하고, 이 메모리 요소들은 소스 라인, 비트 라인 및 워드 라인의 격자에 의해 연결되며, 전극들은 소스 라인을 스핀-홀 층에 연결한다. 다양한 라인들 및 전극들은 금속(예를 들어, Au, Cu 등)과 같은 전기전도성 재료로 만들어진다. 이 배열은 다음과 같이 동작한다: 목표 비트를 기록하기 위해, 비트의 소스 라인 및 비트 라인 상의 트랜지스터 1 및 2가 각각 켜져서, 목표 스핀-홀 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 내로의 충전 전류 흐름을 생성한다. 소스 라인은 큰 충전 전류를 공급한다(자화 스위칭을 위한 임계 전류에 따라 수 밀리암페어일 수 있음). 충전 전류는 MTJ 셀에서 횡방향 스핀 전류를 발생시키고, MTJ 셀 내의 자유 층의 자화를 스위칭한다. 목표 비트를 판독하기 위해, 비트의 비트 라인 및 워드 라인 상의 트랜지스터 2 및 3이 각각 켜진다. 워드 라인은 MTJ 셀의 저항을 검출하기 위해 작은 전류를 공급한다.
실시예
실시예 1 : 이 실시예에서, 이론적으로 예측되는 바와 같이, 고유한 베리 곡률(intrinsic Berry curvature)로 인해 SrIrO3(도 1c) 3D 벌크 반금속성(semi-metallic) 전자 밴드 구조에 큰 스핀-홀 효과가 존재한다(도 1a 및 1b 참조). 벌크 시스템에 대한 선형 응답 이론으로부터 예기치 않게 큰 스핀-홀 전도도(SHC)가 얻어진다. 이러한 큰 응답은 거의 축퇴 에너지 밴드(degenerate energy bands)(도 1a에 음영으로 나타냄)의 특징적인 구조로부터 유래하며, 벌크 시스템에서 스핀 궤도 커플링 및 산소 팔면체 기울어짐(oxygen octahedral tilting)의 결합된 효과로서 발생한다. 놀랍게도, 이론에 의해 예측된 것보다 SrIrO3 필름에 대한 실험에서 훨씬 더 큰 SHC가 발견되었으며, 여기서 관찰된 SHC는 실온에서 위상학적 절연체(topological insulators)에 필적할 수 있다.
고품질 단결정 SrIrO3 박막은 펄스 레이저 증착에 의해 SrTiO3(001) 기재 상에 합성되었다. 이어서, 강자성 퍼멀로이 Ni81Fe19(Py) 박막을 진공을 파괴하지 않고 동일한 챔버 내에서 SrIrO3 상에 스퍼터링하였다. 이러한 인시투(in situ) 합성은 스핀 전류 전송에 대한 계면 투명도 및 SOT 생성 효율을 유지한다. 이어서, 이중층을 약 1 nm의 Al2O3로 캡핑하여 Py의 산화를 방지하였다. Py 증착 전에 진공을 파괴하여 생성된 불완전한 Py/SrIrO3 계면을 갖는 기준 대조군 샘플은 훨씬 더 작은 SOT 생성을 보여 주었다. 1 nm Al2O3/3.5 nm Py/8 nm(20 단위 셀, uc) SrIrO3 표면의 원자힘 현미경 이미지는 기재 스텝-테라스(step-terrace)를 보존하는 원자적으로 매끄러운 표면을 나타냈다. 도 1d에, 2.5 nm Py로 캡핑된 (001) SrTiO3 상의 20 uc SrIrO3 필름의 단면 필터링된 STEM-HAADF 이미지가 도시되어 있다. 여기에서, 이미지의 콘트라스트(contrast)는 원자 번호 Z에 대략 비례하는데, 여기서 더 밝은 색은 더 무거운 원소(이 경우에 가장 무거운 원자는 Ir임)를 나타낸다. 이미지로부터, SrIrO3는 SrTiO3 기재와 동일한 의사등축정계 에피택셜 배열을 공유하며, SrTiO3/SrIrO3 계면과 SrIrO3/Py 계면 둘다의 사이에 날카로운 계면을 갖는 것으로 측정되었다. SrTiO3 기재는 TiO2 표면 종결을 보장하기 위해 처리되었으며, 이는 이미지에서 관찰되는 SrIrO3 필름에 대한 IrO2-종결이 예상됨을 의미한다(도 1d의 (E) 및 (F)).
Py/SrIrO3 이중층 시스템의 개략도(도 2a)에 도시된 바와 같이, 스핀 토크 강자성 공진(ST-FMR) 기술을 사용하여 인접한 Py 층에서 스핀 궤도 토크를 측정함으로써, SrIrO3에서의 스핀-홀 효과를 조사하였다(참조: Liu, L., et al., Spin-torque ferromagnetic resonance induced by the spin Hall effect. Phys. Rev. Lett . 106, 036601 (2011); Mellnik, A. R. et al., Spin-transfer torque generated by a topological insulator. Nature 511, 449-451 (2014); Nan, T. et al. Comparison of spin-orbit torques and spin pumping across NiFe/Pt 및 NiFe/Cu/Pt interfaces. Phys. Rev. B 91, 214416 (2015)). 스핀-홀 효과로 인해, SrIrO3에 교류 충전 전류가 흐를 때, 스핀은 계면에 축적되어 Py로 흐르는 스핀 전류를 유도한다. 이 스핀 전류는 Py 상에 토크를 가하고 자기 모멘트가 세차 운동하도록 여기하여, Py의 이방성(anisotropic) 자기저항(AMR)으로 인한 저항의 교대 변화를 일으킨다. 교류 전압과 장치 저항의 변화 사이의 혼합으로부터 발생된 장치 막대(device bar)에 걸쳐 DC 전압 신호 Vmix를 측정하였다. 공진 스펙트럼은, 고정 마이크로파 주파수에서 얻어졌으며, 평면내 외부 자기장이 Py의 강자기 공진 조건을 통해 스윕(sweep)되었다.
도 2b는 기재 [010]c 축을 따라 인가된 마이크로파 전류를 갖는 3.5 nm Py/8 nm(20 uc) SrIrO3 샘플(20 μm Х 40 μm)에 대한 전형적인 ST-FMR 스펙트럼을 도시한다(의사등축정계(pseudocubic)에 대해 하첨자 c로 표기). 평면내 자기장은 전류 축에 대해 각도 φ =-45 °에서 스윕(sweep)된다. 공진 선 형상은 대칭 및 반대칭 로렌츠분포 성분들(Lorentzian components)(어둡고 밝은 점선 곡선)의 합계에 잘 피팅되며, 여기서 반감쇠(평면내, 
) 및 필드 토크(평면외, 
) 성분들은 각각 대칭 및 반대칭 선 형상의 진폭에 비례한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 대칭 및 반대칭 성분들은 둘 다 
형태에 따라 φ에 의존하고, 이는 Py [
에서의 AMR 및 전류 유도 토크(
)의 기여도의 곱으로 해석될 수 있다(참조: Liu, L., et al., Spin-torque ferromagnetic resonance induced by the spin Hall effect. Phys. Rev. Lett . 106, 036601 (2011); Mellnik, A. R. et al., Spin-transfer torque generated by a topological insulator. Nature 511, 449-451 (2014)). 대칭 및 반대칭 진폭으로부터, 평면내 
및 평면외 토크 전도도 
(단위 전기장 당 토크)는, 상이한 측정 주파수(4.5 내지 7GHz)를 평균하여, 각각 (1.4±0.2)Х105 
및 (2.9±0.5)Х104 
인 것으로 밝혀졌다. 
에 대한 부호는 벌크 SrIrO3에 대한 제1 원리 계산(first-principle calculations)과 일치하고 중금속 Pt의 부호와 일치했다. 
의 크기는 SrIrO3보다 훨씬 더 큰 전하 전도도(σ)를 갖는 Pt의 크기에 필적했다. 이것은 SrIrO3에 대한 스핀 토크 비율 
(=
)(즉, 성능 지수(단위 충전 전류밀도 당 반감쇠 토크의 생성)) 치고는 큰 값인 0.55 ± 0.08을 나타냈으며, 이 값은 Pt 박막 필름에 대해 보고된 것보다 약 한 자리수 만큼 더 크다(참조: Sinova, J., et al., Spin Hall effects. Rev. Mod. Phys. 87, 1213-1260 (2015)). 
의 부호로부터, 평면외 필드 유형 토크(field-like torque)는 SrIrO3의 전류로부터 오는 외르스테드 필드(Oersted field)로부터의 토크와 동일한 방향으로 배향되었다. 그러나, 
의 값은 암페르의 법칙에 의해 추정되는 예상 외르스테드 필드 
=1.3Х104 
보다 더 컸다. SrIrO3의 강력한 스핀-홀 효과 외에도, Py/SrIrO3 계면에서의 라쉬바-에델세인(Rashba-Edelsein) 효과는 관찰된 필드 유형 토크에 또한 기여할 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같은 스핀-토크 비율의 결정 배향 의존성도 또한 조사되었다. ST-FMR 측정은, φ = 45 °에서의 자기장 각도를 유지하면서, [100]c 축 또는 [-110]o(사방정계에 대해 첨자 o로 표기)에서 [010]c 또는 [001]o까지 다양한 평면내 결정 배향을 따라 패터닝된 장치 상에서 수행되었다. 결정 배향 의존적 
는 
에 피팅될 수 있으며, 여기서, Ψ는 [100]c와 전류 축 사이의 각도이며, Ψ0는 장치 패턴과 결정 배향 사이의 오정렬(misalignment)을 설명한다. [010]c를 따른 더 높은 
축은 SrIrO3 박막 필름의 더 낮은 저항률 축과 일치했다는 것을 주목해야 한다.
ST-FMR 공진의 DC 전류-유도 변환을 측정함으로써 SrIrO3에서 매우 큰 스핀-토크 비율이 추가적으로 확인되었다(참조: Liu, L., et al., Spin-torque ferromagnetic resonance induced by the spin Hall effect. Phys. Rev. Lett . 106, 036601 (2011); Nan, T. et al. Comparison of spin-orbit torques and spin pumping across NiFe/Pt and NiFe/Cu/Pt interfaces. Phys. Rev. B 91, 214416 (2015)). DC 전류의 주입은 인접한 Py에 추가적인 DC 스핀 토크를 가했다. DC 평면내 토크 성분은 Py 자화 세차 운동의 완화를 수정하여, 공진 선폭을 조절하는데, 이는 토크 성분이 전류와 자기장 사이의 상대적인 배향에 의존하여 길버트(Gilbert) 감쇠 토크에 평행하거나 또는 역평행하기 때문이다. ST-FMR 측정은 로크인 증폭기(lock-in amplifier)를 사용하여 인가된 DC 전류로 [010]c 축(20 μm Х 40 μm)을 따라 패터닝된 Py/SrIrO3 이중층 장치에서 수행되었다. 
의 정량 분석이 도 3a에 도시되어 있는데, 여기에서 공진 선폭 W는 인가된 DC 전류와 선형으로 비례한다. 평면내 토크의 크기는 SrIrO3의 전류밀도(j c )에 대한 유효 길버트(Gilbert) 감쇠(α eff )의 변화에 비례했다. 밝혀진 바와 같이, DC 바이어스된 ST-FMR에 의해 측정된 
(= 0.52 ± 0.07, 다양한 주파수들 및 장치들에 의해 평균됨)의 부호 및 크기는 ST-FMR 선 형상 분석과 잘 일치하였다. 스핀 궤도 토크에 대한 SOC의 중요성을 조사하기 위해, 3.5 nm Py/7 nm SrRuO3 이중층 상에서 대조군 실험을 또한 수행하였다. SrRuO3는 SrIrO3와 유사한 결정 구조를 갖지만, Ru 원자는 SrIrO3중에서 Ir에 비해 상대적으로 약한 스핀 궤도 커플링을 갖는 4d 전자를 수용(host)한다. 루테네이트(ruthenate) 대조군 샘플은 α eff 에서 훨씬 더 작은 전류-유도된 변화를 산출하는 것으로 나타났으며, 이는 0.09 ± 0.05의 
에 상응한다(도 3b). 도 3c는 유효 감쇠 
(도 3a 및 도 3b의 선형 피팅의 기울기)에서 평면내 자기장 각도 φ 의존적 전류-유도된 변화를 보여주며, 이것은 
에 잘 피팅될 수 있다. 이것은 전류-유도된 토크의 대칭성과 일치하고, SrIrO3의 큰 스핀-토크 비율은 임의의 의사 마이크로파 정류(spurious microwave rectification) 또는 열전기 효과가 없음을 다시 시사한다.
20 uc SrIrO3 필름에서 큰 스핀-토크 효율을 확립한 후, 스핀-토크 효율에 대한 구조적 변화의 영향을 그다음에 조사하였다. SrIrO3 두께가 8 uc에서 20 uc(Py 두께는 고정된 상태)로 변하는 일련의 SrIrO3/Py 이중층에 대한 연구가 수행되었으며, DC-바이어스된 ST-FMR 결과와 싱크로트론(synchrotron)에서의 x선 측정을 결합하여, 각각의 두께에서 SrIrO3 대칭성을 측정한다. 정방정계에서 사방정계 대칭으로의 구조적 변화가 실제로 발생하는 것으로 밝혀졌다. 도 4a의 (A)에 도시된 바와 같이, 
는, tSIO ≤ 10 uc일 때의 거의 일정한 값으로부터, 16 uc의 두께(t SIO )에서 급격히 증가하고 포화되었다. SrIrO3가 공진 선폭 확장으로부터 측정된 약 1.5 nm의 짧은 스핀-확산 길이를 나타내기 때문에, 이러한 급격한 변화는 단순히 표준 스핀-확산 이론에 의해 설명될 수 없다. 그러나, 
의 억제는 도 4a의 (B)에 도시된 바와 같이 t SIO 가 감소함에 따라 전역적(global) SrIrO3 격자 대칭 전이(사방정계에서 정방정계로)와 밀접하게 관련될 수 있으며, 사방정계비(orthorhombicity) a/b는 SrIrO3 사방정계 격자 파라미터들 사이의 비율로, 그의 성분들이 평면내 [100]c 및 평면외 [001]c 기재 방향들을 따라 정렬된다. 이러한 사방정계 왜곡(a/b> 1)은 IrO6 팔면체 기울어짐(octahedral tilt)으로부터 기원하며, 이것은 TiO6 기울어짐을 나타내지 않는 기저의 입방 SrTiO3 기재의 구조적 각인으로 인해 내지 약 12 uc의 임계 두께 아래에서 억제된다. 이것은 변형된 정방정계 SrIrO3 구조를 산출한다(도 4c). 여기서 주목되는 바와 같이, RHEED와 싱크로트론 작업은 가장 얇은 샘플에서조차도 사방정계 왜곡을 갖는 작은 영역이 지속됨을 보여준다. 그럼에도 불구하고, SrIrO3 필름의 전역적 결정 구조는 왜곡되지 않은 정방정계를 향하는 경향이 있다. 페로브스카이트에서의 팔면체의 회전 및 왜곡의 정도는 재료의 밴드 구조를 극적으로 변화시킬 수 있기 때문에, 이러한 구조적 전이는 억제된 스핀 토크 효율의 관찰을 설명할 것으로 예상되었다. 격자 대칭성에 대한 
의 강한 의존성은 SrIrO3 결정 구조와 그것의 스핀 토크 효율 사이의 직접적인 연관성을 가리킨다. 변형(strain)을 통해 에피택셜 SrIrO3의 결정 구조를 조정함으로써, SrIrO3 SHC가 고유한 스핀-홀 효과의 독특한 특징을 생성하는 것으로 실증되었다.
관찰된 스핀-홀 효과의 고유한 기원에 대한 통찰력을 얻기 위해, 베리 곡률 메커니즘을 기반으로 SHC를 이론적으로 조사했다(참조: Sinova, J., et al., Spin Hall effects. Rev. Mod. Phys. 87, 1213-1260 (2015); Guo, G. Y., et al., Intrinsic spin hall effect in platinum: First-principles calculations. Phys. Rev. Lett . 100, 096401 (2008)). 전자 밴드에 인코딩된 고유한 효과는 스핀 궤도 커플링과 기울어진 산소 팔면체의 상호작용에 의해 생성된다는 점에 주목하는 것이 중요하다. SrIrO3의 전자 밴드 구조에 대해서는, 벌크 사방정계 페로브스카이트 구조를 위해 구축된 효과적인 밀접-결합(tight-binding) 모델이 사용되었다(밴드 구조는 도 1a 및 1b 참조)(참조: Carter, J. M., et al., Semimetal and topological insulator in perovskite iridates. Phys. Rev. B 85, 115105 (2012); Chen, Y., et al., Topological crystalline metal in orthorhombic perovskite iridates. Nat. Commun . 6, 6593 (2015)). 이 모델은 벌크 구조에서 산소 팔면체 기울어짐에 의해 생성된 Ir 전자에 대한 다양한 스핀 의존적 호핑 채널(spin-dependent hopping channels)을 통합한다. 고유한 스핀-홀 효과(방법)에 대한 구보(Kubo) 공식을 사용하여, SHC 
를 계산했는데, 여기서 
방향을 따라 인가된 충전 전류는 
방향을 따라 스핀 전류를 생성하며, 스핀 분극은 
방향을 따른다. SHC는 페르미 준위 EF 아래의 점유된 전자 상태의 베리 곡률(Berry curvatures)의 합이다. 벌크 시스템에 대해 계산된 SHC는 도 4d에 도시된 바와 같이 상당히 큰 값을 가졌다. 특히, 
(스핀 전류가 벌크 c 축을 따라 흐르는 경우, 동그라미 표시 곡선)은 제로 에너지 주변을 제외한 확장된 영역에서 크고 양의 값을 갖는 SHC를 나타낸다. 0이 아닌 SHC는, 
가 서로 직교하지 않은 구성에서도 관찰되었다: 
(삼각형 표시) 및 
(사각형 표시)은 반대 부호를 가지며 제로 에너지 주위에서 피크이다.
이러한 큰 스핀-홀 효과는 도 4e의 (F) 내지 (H)에서 운동량-분해 SHC [
]에 의해 밝혀진 바와 같이, 도 1b에서 회색으로 표시된 거의 축퇴 에너지 밴드(degenerate energy band)에서 주로 비롯되었다. 특히, 도 4e의 (F), (G), (H)는 페르미 준위가 증가함에 따라 브릴루앙 구역 내에서 
의 분포가 어떻게 변했는지를 보여준다. 페르미 준위는 거의 축퇴 밴드를 가로지르는 k 점 주위에 높은 강도의 
가 나타났다(도 1a). 놀랍게도, 고강도 지점은 영역 경계에 걸쳐 연장된 루프의 형태의로 동일한 부호로 발생했다. 많은 k 점으로부터의 이러한 협력적인 기여는 
및 
에서도 관찰되었다. 이들 패턴은 SrIrO3를 Pt와 대비하며, 여기서 SHC는 몇 개의 높은 대칭점(symmetry points)에 의해 지배된다(참조: Guo, G. Y., et al., Intrinsic spin hall effect in platinum: First-principles calculations. Phys. Rev. Lett . 100, 096401 (2008)).
사용된 실험 지오메트리는 도 4e (E)에 도시되어 있으며, 여기에서 충전 전류는 직교하는 평면내 표면 방향을 따라 전달되고 스핀 전류는 표면에 수직이다. 이 설정에 가장 가까운 벌크 계산은 
(동그라미 표시) 구성이다. 벌크 계산은 큰 고유 SHC를 예측했지만, 박막에 대한 실험 결과에 비해 한 자릿수 만큼 더 작다. 이 이론적 연구로부터, 벌크 시스템에 대한 비정상적으로 큰 SHC는 실험 결과와 질적으로 일치하고 SrIrO3에서 큰 스핀-홀 효과의 고유의 기원을 나타내는 것으로 밝혀졌다.
요약하면, SOC와 결정 구조가 결합하여 현재까지 벌크 시스템에서 가장 큰 스핀 토크 효율을 생성하는 스핀 궤도 커플링된 5d 전자를 갖는 전이금속 페로브스카이트에서 스핀 궤도 토크 응용을 위한 새로운 재료 후보가 발견되었다. 응용 관점에서, 필적할만한 효율을 나타내는 표면 구동 메커니즘과 비교하여 (SrIrO3의 반금속성(semi-metallic) 성질로 인한) 인접한 금속성 강자성체를 통해 더 적은 전류가 분로(shunt)되었다. 이 재료는 또한, 옥사이드 스핀트로닉스(oxide spintronics)에 대한 이상적인 구성 단위(building block)로 작용했는데, 이는 넓은 범위의 강자성 페로브스카이트가 효율적인 스핀 전류 전송을 위해 원자적으로 예리한 계면을 갖는 에피택셜 헤테로구조체에 쉽게 통합될 수 있기 때문이다. 더욱이, 5d 오비탈의 확장된 특성은 외부 조작 격자 구조에 대해 전자 밴드 구조의 민감한 응답을 가능하게 했다. 예를 들어, 이것은 팔면체 기울어짐 및 회전에 대한 SHC의 강한 의존성에서 나타났다. 전자와 격자 자유도 사이의 이러한 복잡한 커플링은 격자 대칭성을 조정함으로써 스핀 궤도 토크를 설계할 수 있는 새로운 길을 가능하게 한다.
방법
샘플 성장, 제작 및 성질 분석.
SrIrO3 필름은 펄스 레이저 증착(PLD)을 사용하여 (001) SrTiO3 기재 상에서 에피택셜 합성되었다. 성장 동안, 인-시투(in situ) 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)에 의해 층별 증착이 관찰되었다. 성장 전에, SrTiO3 (001) 기재는 화학적으로 에칭되고 어닐링되어 TiO2 표면 종결을 보장한다. 기재를 먼저 완충된 불산에 60 초 동안 침지시킨 후, 900 ℃에서 6 시간 동안 O2-풍부한 환경에서 어닐링하였다. 어닐링 후, 기재를 완충된 불산에서 다시 에칭하여, 표면에 잔류하는 SrO를 제거하였다. PLD 성장은 600 ℃의 기재 온도 및 75 mTorr의 산소 분압에서 수행되었다. SrIrO3 타겟 표면에서의 레이저 플루언스(laser fluence)는 약 1 J/cm2이고 펄스 반복은 10Hz였다. 타겟과 기재 사이의 작업 거리는 약 58 mm였다. SrIrO3 성장 후, 샘플은 산소가 풍부한 분위기에서 냉각되었다. 챔버를 실온에서 재배기하고, Py를 < 5 x 10-8 Torr의 배경 압력(background pressure)을 갖는 3 mTorr의 Ar 압력에서 스퍼터링 증착되었고, 이어서 1 nm Al 패시베이션 층을 스퍼터링 증착하였다. Py 필름은 다결정성인 것으로 나타났으며, 이는 증착 후 RHEED 회절 고리의 관찰에 의해 확인되었다. SrIrO3 상단부 상의 원자적으로 평평한 Py 표면은 원자힘 현미경을 사용하여 검증되었다. SrIrO3 필름의 두께, 에피택셜 배열, 및 결맞음은 x선 반사율, x선 회절, 및 역격자 공간 맵핑을 사용하여 확인되었다. Py 필름의 두께는 x선 반사율을 사용하여 측정되었다. 자성 불활성 층(magnetic dead layer)을 제외한 실제 Py 강자성 두께는 두께의 함수로서 포화 자화를 측정함으로써 결정되었다. 여기에서 Py 두께는 실제 강자성 두께를 의미한다.
Py/SrIrO3 샘플은 포토리소그래피 및 이어서 이온빔 밀링을 사용하여 패턴화되었다. 이어서, 200 nm Pt/5 nm Ti 전극을 스퍼터 증착하고 리프트 오프(lift-off) 절차에 의해 한정하였다. ST-FMR용 장치는 접지-신호-접지 전극을 사용하여 마이크로스트립(폭 20 내지 50 μm 및 길이 40 내지 100 μm) 내로 패턴화되었다. 전기 수송 측정을 위한 장치는 폭 100 μm 및 길이 500 μm의 홀 막대(Hall bar) 내로 패턴화되었다.
STEM 측정.
집속된 이온 멀티 빔 시스템(JIB-4610F, JEOL, JAPAN)에 의해 TEM 시편을 제조하였다. Py/SrIrO3 필름을 보호하기 위해, 이온빔 밀링 전에 비결정질 탄소 층이 상단부 표면 상에 증착되었다. 얇은 TEM 박막(lamella)을 제조하기 위해 가속 전압이 30kV인 Ga+ 이온빔이 사용되었다. Ga+ 이온 빔 밀링에 의해 유도된 표면 손상을 최소화하기 위해, 샘플을 4 분 동안 100 meV의 가속 전압을 갖는 Ar+ 이온 빔(PIPS II, Gatan, USA)에 의해 추가적으로 밀링하였다. HAADF-STEM 이미지는 구면 수차 보정기(spherical aberration corrector)(CEOS GmbH, Germany)를 사용하여 200 kV에서 주사 투과 전자 현미경(JEM-2100F, JEOL, Japan)을 사용하여 촬영하였다. 전자 프로브의 최적 크기는 약 0.9 Å였다. HAADF 검출기의 수집 반각(collection semi-angles)은, 선명한 Z-감응 이미지(Z-sensitive image)를 위한 대각 탄성 산란 전자를 수집하기 위해 70 내지 200 mrad로 조정되었다. 얻어진 원시 이미지는 배경 잡음을 줄이기 위해 로컬 윈도우를 갖는 대역-통과 빈 필터(Wiener filter)로 처리되었다(HREM research Inc., Japan).
싱크로트론 X-선 박막 회절.
싱크로트론 X-선 회절 측정은, (001) SrTiO3 기재 상에 에피택셜 성장된 SrIrO3 박막의 두께의 함수로서 구조 및 격자 대칭 진화를 정확하게 특성기술하기 위해 수행되었다. 박막 회절 측정은 Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory의 12-ID-D 섹터에서 20 keV(파장 μ = 0.6197 Å)의 X-선 에너지를 사용하여, x-원형(x-circle) 지오메트리를 갖는 5-원(five-circle) 회절 분석기에서 수행되었다. 빔라인 12-ID-D에서의 X-선 빔은 4.0 Х 1012 광자/초의 총 플럭스를 가졌으며 베릴륨 화합물 굴절 렌즈에 의해 약 50 μm의 빔 프로파일까지 수직으로 집속되었다. 픽셀 2D 배열 영역 검출기(Dectris PILATUS-1 mm Si 100K)로 획득된 2차원 이미지를 이용하여 확산 배경 기여도를 감산함으로써, 각각의 절단 로드를 따라 L-스캔 {10L}을 얻었다. 역격자 공간에서의 각각의 {103} 필름 피크 위치의 분리는, 등축정계 페로브스카이트 격자에 대한 SrIrO3 필름의 평면외 기울어짐 각도를 추출하여, 사방정계 왜곡 정도(a/b > 1)가 두께의 함수로서 각각의 SrIrO3 박막에 대해 얻을 수 있다.
ST-
FMR
측정.
ST-FMR 측정 동안, 고정 주파수(4.5 내지 7 GHz)의 마이크로파 전류가 바이어스-T의 AC 포트 및 RF 접지-신호-접지 프로브 팁(probe tip)에 인가되었다. 마이크로파 전력 출력(8 내지 14 dBm)도 또한 고정되었다. 인가된 전력에 대해, ST-FMR 스펙트럼의 선 형상은 소각 세차(small-angle precession)의 선형 영역 내에 있었다. 평면내 자기장(±0.12 T)은 회전 전자석에 의해 생성되었다. 선 형상 분석을 위해, 정류된 혼합 전압은 바이어스-T의 DC 포트를 통한 DC 전압 측정기를 사용하여 검출되었다. DC-조정된 분석을 위해, rf 전류 진폭이 변조되었고 혼합 전압 신호는 로크인 증폭기를 사용하여 측정되었다. j c 는 병렬 저항 모델을 사용하여 각 층에 대한 4-포인트-저항을 측정하여 신중하게 캘리브레이션되었다. 결정 배향 의존성 측정을 위해, 샘플 제작에 대한 가능한 변동을 최소화하기 위해 동일한 샘플에 장치를 패턴화하였다. 평면내 자기장 각도는 φ = 45 °로 고정되었고, 마이크로파 주파수 및 전력은 각각 5.5 GHz 및 12 dBm이었다.
이론적 계산.
스핀-홀 전도도 계산을 위해, 사방정계의 페로브스카이트 벌크 구조를 위해 구성된 j eff =1/2 밀접-결합 모델(tight-binding model)이 사용되었다(참조: Carter, J. M., et al., Semimetal and topological insulator in perovskite iridates. Phys. Rev. B 85, 115105 (2012); Chen, Y., et al., Topological crystalline metal in orthorhombic perovskite iridates. Nat. Commun . 6, 6593 (2015)). 모델 해밀토니안(Hamiltonian) H는, 각 단위 셀에서 4 개의 Ir 사이트로 인해 4개의 이중 축퇴 전자 밴드로 구성된다.
여기서, 
는 전자 연산자로, 하첨자들은 부격자(sub-lattice) 
및 j eff =1/2 의사스핀(pseudo-spin) 
을 의미한다. H k 의 명시적인 형태와 호핑 파라미터의 값은 참고문헌 29 및 30에서 찾을 수 있다(참조: Emori, S. et al. Spin transport and dynamics in all-oxide perovskite La2/3Sr1/3MnO3/SrRuO3 bilayers probed by ferromagnetic resonance. Phys. Rev. B 94, 224423 (2016); Chen, Y., et al., Topological crystalline metal in orthorhombic perovskite iridates. Nat. Commun . 6, 6593 (2015)). 그런 다음, SHC 
는 구보(Kubo) 공식에 의해 계산된다:
여기서
(참조: Sinova, J., et al., Spin Hall effects. Rev. Mod. Phys. 87, 1213-1260 (2015); Guo, G. Y., et al., Intrinsic spin hall effect in platinum: First-principles calculations. Phys. Rev. Lett . 100, 096401 (2008)).
여기서, 
는 충전 전류이고, 
는 스핀 전류이며, 이때, jeff = 1/2 스핀은 파울리 행렬 σρ로 표시된다. 상기 표현에서, V는 시스템의 부피이고, EF는 페르미 준위이며, 
는 에너지 
를 갖는 H의 블로치 상태(Bloch state)를 나타낸다. 
로 표시되는 운동량-분해 SHC는 큰 스핀-홀 효과를 담당하는 전자 상태의 추적을 가능하게 한다. 이 계산에서, 측정 지오메트리를 나타내는 3개의 인덱스 
에 대해 의사등축정계 축들이 취해졌고, 60 x 60 x 60 k 점 메쉬가 운동량에 걸친 합산을 위해 사용되었다(참조: Carter, J. M., et al., Semimetal and topological insulator in perovskite iridates. Phys. Rev. B 85, 115105 (2012); Chen, Y., et al., Topological crystalline metal in orthorhombic perovskite iridates. Nat. Commun. 6, 6593 (2015)).
SrIrO
3
/
SrTiO
3
(001)
헤테로구조체의
성장 및 특성분석
도 5a에서, SrTiO3 상의 20 uc(8 nm) SrIrO3 필름의 RHEED 강도 스펙트럼이 플롯되어 있으며, 여기서 강도 진동은 필름의 층별 성장을 나타낸다. 오른쪽 삽입도의 RHEED 패턴은 왼쪽 삽입도의 기재 RHEED 패턴이 거의 보존되었음을 나타낸다. SrIrO3 필름에 Py를 증착한 후, Py 표면의 RHEED 패턴은 희미한 고리들을 보였으며, 이는 텍스쳐링된 다결정성 Py 구조를 나타낸다. 인-시투 Al2O3/Py 증착층의 증착 후, 원자힘 현미경 이미지가 촬영되었다. 도 5b에서 알 수 있는 바와 같이, Al2O3/Py/SrIrO3//SrTiO3 (001) 표면의 최종 표면은 도 5b에서 화학적으로 및 열적으로 처리된 TiO2-종결 SrTiO3 기재의 스텝-테라스 특징(step-terrace features)을 유지하였다.
도 6a, 6b 및 6c에서, 1 nm Al2O3/3.5 nm Py/12 nm SrIrO3/SrTiO3 (001) 헤테로구조체의 실험실-공급원 x선 회절 데이터(lab-source x-ray diffraction data)가 제시된다. (002) SrTiO3 피크에 정렬된 2θ-ω 평면외 스캔은 SrIrO3의 다양한 상들이 존재함을 나타내는 추가 피크의 존재가 없는 에피택셜 SrIrO3 필름을 보여준다. SrIrO3 필름은 주된 (001) 및 (002) 의사등축정계 반사(pseudocubic reflections) 주위에 별개의 키시그 프린지(Kiessig fringes)를 보여주며, 이는 매끄러운 필름 표면 및 계면 구조를 나타낸다. (101)pc 의사등축정계 반사 주위의 방위각 φ-스캔은 SrIrO3 필름이 기저의 SrTiO3 기재와 동일한 의사등축정계 배열을 공유한다는 것을 보여준다. 도 6c에 도시된 (103) SrTiO3 피크 주위의 역격자 공간 맵핑으로부터, SrIrO3 필름이 기저의 SrTiO3 기재와 완전히 결맞음된 것으로 나타났다.
SrTiO
3
(001) 위의
SrIrO
3
의
결정학적 도메인 구조
싱크로트론 x선 회절 실험을 수행하여, 3 nm의 Py로 캡핑된 SrTiO3 (001) 위의 일련의 SrIrO3 필름들의 기울어짐(tilt) 및 대칭성을 측정하였다. Pbnm 공간군 대칭성을 갖는 SrIrO3와 같은 사방정계 페로브스카이트는 등축정계 기재 상에서 자신들을 배향시키는데, 이때, [110]o는 [001]pc를 따라 평면외로 배향되고, [-110]o 및 [001]o는 각각 [100]pc 및 [010]pc를 따라 평면내로 배향된다. 이러한 에피택셜 배열은 [-110]o를 따라 압축/인장 변형으로 인한 사방정계 단위 셀의 왜곡을 발생시키고, 이는 사방정계 필름이, α = β = 90° ≠ γ인 약간 왜곡된 단사정계 구조를 취하도록 만든다. 90° 증분에서 {103}pc 반사를 조사함으로써, 각 φ 각도에서 L의 피크 위치를 비교하여 사방정계 필름의 의사등축정계 기울어짐을 측정하는 것이 가능한데, 이는, 이들의 필름 피크 위치들이 X선 산란 벡터의 표면 법선 성분인 Qz의 표면 법선 성분의 편차를 보여줄 것이기 때문이다. 이렇게 하면 φ 각도 피크들 중 2개를 따라 L에서의 피크 위치가 이동할 것이지만, 다른 2개의 정렬들은 L에서의 동일한 피크 위치들을 가질 것이다. 왜곡된 기울어짐을 생성하는 변형(strain)의 평면내 방향이 [100]pc를 따라 놓이기 때문에, L-이동은 [103]pc 및 [-103]pc 피크들을 따라 존재할 것이다. 따라서, 이 방향을 따라 기울어짐(tilt)이 존재하지 않기 때문에, [013] 및 [0-13] 반사는 L에서 동일한 필름 피크 위치를 나타내야 한다. 도 7a에서 알 수 있는 바와 같이, [103] 및 [-103]으로부터의 분할(splitting)은 20 uc에서 현저하지만, 필름 두께가 감소함에 따라 서서히 억제되었다. 8 uc에서, {103}pc 패밀리는 L에서 편차를 보이지 않았으며, 이는 변형으로부터의 기울어짐이 비교적 전혀 존재하지 않았음을 나타내며, 이는 전역적인 정방정계 대칭성이 확립되었음을 의미한다. 이러한 L 피크들의 위치로부터, 기하학적 분석을 수행하여 도 4a의 (B)에 제시된 a/b 비율을 계산하였다(참조: Vailionis, A. et al. Misfit strain accommodation in epitaxial ABO3 perovskites: Lattice rotations and lattice modulations. Phys. Rev. B 83, 064101 (2011)).
그러나, 이러한 스캔은 에피택셜 변형으로부터의 기울어짐을 측정하는데 효과적이지만, 사방정계 도메인들의 작은 배향으로부터의 팔면체의 기울어짐을 무시한다. 사방정계 SrIrO3와 같은 낮은 대칭성 페로브스카이트는 다양한 의사등축정계 방향들을 따라 그들의 팔면체에서의 기울어짐 및 회전 패턴들을 나타내기 때문에, 이들은 특정 결정학적 방향들을 따라 단위 셀을 배가(doubling)시킴으로써 발생하는 의사등축정계 피크들 사이에 여분의 x선 반사를 나타낼 것이다. 따라서, SrIrO3의 벌크 틸트(bulk tilt) 패턴에 기초하여, (221)o 반사를 찾기 위한 스캔을 수행하여, 필름들이 완전히 정방정계였는지를 확인하였다. 이 반사는 기울어지지 않은 페로브스카이트 시스템에 존재하지 않는 반사들의 반차 의사등축정계(half-order pseudocubic) {
02} 군에 해당한다. 따라서, (221) 피크로부터의 임의의 측정된 강도는, 필름들 내의 작은 사방정계 도메인들의 존재를 나타낼 것이다. 도 7b는 SrIrO3 필름들에서 측정된 (221)o 반사로부터의 강도가, {103} 작용으로부터의 기울어짐을 전혀 보이지 않는 8 uc 필름에서 조차 지속되었음을 보여준다. 그러나, 주목되어야 하는 바와 같이, 비록 얇은 8 uc 필름에서 (221) 사방정계 피크가 여전히 관측가능하였지만, 이 피크의 강도는, 1차 (103) 피크보다, 20 uc로부터 8 uc로 두께가 감소함에 따라 훨씬 더 빠르게 떨어졌다. 이러한 (221) 강도 변화가 점진적으로 더 얇아지는 SrIrO3 필름들에만 기인하였다면, (103)은 동일한 속도로 감소하였어야 했는데, 이러한 경우는, 도 7c에 도시된 바와 같이, 발생하지 않았다. 따라서, 이것은 사방정계 기울어짐의 전역적인 억제를 의미하고, 또한 이로부터, 팔면체 기울어짐 및 회전의 억제를 의미한다. 따라서, 8 uc 필름은 작은 사방정계 도메인들을 보유할 수 있었지만(이는 또한, (1,0) 및 (0,1) 의사등축정계 방향들을 따르는 RHEED 실험으로부터 확인되었음), 이러한 도메인들은, 전역적인 구조가 정방정계 대칭성을 향하는 뚜렷한 경향을 보임에 따라, 20 uc로부터 8 uc로 크게 억제되었다.
ST-
FMR
선 형상 분석 및 주파수 의존적 스핀 토크 비율
전류-유도 평면내 및 평면외 토크 성분들을 갖는 ST-FMR 신호는 하기 Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski 방정식에 의해 기술될 수 있다:
여기서, γ는 자기회전 비율(gyromagnetic ratio)이고, μ0는 진공에서의 투자율(permeability)이고, 
는 외부 자기장 
및 반자기장(demagnetization field)을 포함하는 유효 자기장이고, α는 길버트 감쇠 계수이며, 
및 
는 도 2a에 도시된 평면외 및 평면내 토크 성분들이다(참조: Slonczewski, J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers. J. Magn . Magn . Mater. 159, L1-L7 (1996)). 이때, ST-FMR 혼합 전압은 다음과 같은 형태로 기술될 수 있다:
여기서, W는 반치반폭 공진 선폭(half-width-at-half-maximum resonance linewidth)이고, HFMR은 공진장(resonance field)이다. S 및 A는 로렌츠 분포(Lorentzian)의 대칭 및 반대칭 진폭이며 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서, Irf는 마이크로파 전류이고, R(φ)는 Py의 이방성 자기저항으로 인한 평면내 자기장 각도 φ의 함수로서의 장치 저항이며, 
는 유효 자화이다. S 및 A 진폭들은 마이크로파 전력(도 8a)에 비례하는데, 이는 측정이 구동 장(driving field)에 대한 선형 영역(linear regime) 내에 있다는 것을 나타낸다. 이 연구에서, Vmix는 마이크로파 전력의 임의의 진폭 변조없이 DC 전압계에 의해 직접 측정되었다. dR/dφ를 캘리브레이션하기 위해, 회전 전자석(도 8b)에 의해 생성된 0.08 T의 평면내 자기장을 회전시킴으로써, 자기장 각도의 함수로서 장치 저항을 측정하였다. ΔR을 
에 피팅함으로써, 특정 φ 각도에서의 dR/dφ가 계산될 수 있다. 줄 가열 효과로 인한 장치 저항 변화를 측정함으로써, 마이크로파 전류 Irf를 캘리브레이션하였다(참조: Tshitoyan, V. et al., Electrical manipulation of ferromagnetic NiFe by antiferromagnetic IrMn. Phys. Rev. B 92, 214406 (2015); Zhang, W. et al., All-electrical manipulation of magnetization dynamics in a ferromagnet by antiferromagnets with anisotropic spin Hall effects. Phys. Rev. B 92, 144405 (2015)). 장치 저항의 변화를 비교함으로써, DC 전류 Idc의 주입으로, 이와 동일한 양의 가열이 얻어질 수 있다. 따라서, AC 및 DC 전류로부터의 줄 가열은 
및 
이기 때문에, rf 전류는 
로서 결정될 수 있다. 도 8c는 DC(원) 및 rf(정사각형 5.5 GHz) 전류로 인한 전형적인 장치 저항 변화 곡선을 보여주는데, 여기서, 이들 각각은 2차 및 선형 함수에 피팅된다. rf 전류는 다양한 rf 주파수들 및 전력들에 대해 추산되었다.
이때, 토크 성분들의 크기는 수학식 S3 및 수학식 S4로부터 대칭 및 반대칭 진폭을 추출함으로써 결정될 수 있다. 두 토크 비율들은 
로서 계산될 수 있으며, 여기서, Ms 및 t는 포화 자화 및 Py의 두께이고; l은 장치 막대의 길이이고, 
는 축약된 플랑크 상수(reduced Planck's constant)이며, e는 전자 전하이다. 포화 자화 Ms는 진동 샘플 자력 측정에 의해 측정되었다. 주파수 의존성 HFMR을 측정하여 하기 키텔(Kittel) 방정식에 피팅함으로써 유효 자화 Meff를 얻었다.
여기서, 
는 평면내 자기 이방성 장(in-plane magnetic anisotropy field)이다. 3.5 nm Py를 갖는 모든 샘플에 대해 
인 것으로 밝혀졌는데, 이는 무시할 수 있는 수직 자기 이방성을 나타낸다. 도 9a는 3.5 nm Py/20uc SrIrO3 이중층 샘플에 대한 주파수 의존적 ST-FMR 스펙트럼을 나타낸다; 여기서 Py 유효 자화 
(도 9b) 및 길버트 감쇠 파라미터 α(도 9C)가 결정되었다. 그 다음, 스핀 토크 비율이 주파수와 무관할 것으로 예상되기 때문에, 20 uc SrIrO3 샘플의 스핀 토크 비율 
는 다양한 주파수(4.5 내지 7 GHz)에서 계산되었다(참조: Nan, T. et al. Comparison of spin-orbit torques and spin pumping across NiFe/Pt and NiFe/Cu/Pt interfaces. Phys. Rev. B 91, 214416 (2015)). 도 8d는, ST-FMR 선 형상(정사각형) 및 DC-조정 분석(원) 둘 다로부터 결정된 주파수 의존적 스핀 토크 비율을 보여준다. 두 방법 모두 작은 주파수 변화를 산출했다.
ST-
FMR
DC-조정 분석 및 두께 의존적 스핀 토크 비율
대안적으로, 스핀 토크 비율은 마이크로파 전류에 중첩된 DC Idc 전류를 삽입함으로써 얻어졌으며, 이는 ST-FMR 선 형상의 미묘한 변화를 유도하였다(참조: Liu, L., et al., Spin-torque ferromagnetic resonance induced by the spin Hall effect. Phys. Rev. Lett . 106, 036601 (2011); Kasai, S. et al., Modulation of effective damping constant using spin Hall effect. Appl . Phys. Lett . 104, 2013-2016 (2014); Ganguly, A. et al.,Thickness dependence of spin torque ferromagnetic resonance in Co75Fe25/Pt bilayer films. Appl . Phys. Lett . 104, 72405 (2014); Demasius, K.-U. et al., Enhanced spin-orbit torques by oxygen incorporation in tungsten films. Nat. Commun . 7, 10644 (2016)). 특히, 
는 전류 의존적 공진 선폭 또는 
를 하기와 같이 선형적으로 피팅함으로써 정량화되었다:
여기서 
는 Py의 유효 자기 감쇠이며, 
와 같이 W와 관련될 수 있다. 편차가 작은 공진 선폭을 추출하기 위해, rf 전류 진폭을 변조하고, 혼합 전압 신호를 로크인 증폭기(lock-in amplifier)를 사용하여 측정했다. DC 전류를 2 mA 미만으로 제한하여, 우수한 피팅 곡선을 획득하고 줄 가열을 최소화하였다. 병렬 저항 모델을 사용하여 SrIrO3 층의 전류밀도를 추산하였다.
도 10a의 (A) 및 (B), 및 도 10c의 (C) 및 (D)는 Py/SrIrO3 이중층에 대한 SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서 공진 선폭의 변화를 보여주며, 여기서 Py 두께는 3.5 nm로 고정되고, SrIrO3 두께는 8 uc 내지 20 uc의 범위이다(φ = -135 °에서만). SrIrO3의 두께 의존적 스핀 토크 비율 및 스핀-홀 전도도가 도 10e에 요약되어 있다.
Py
/
SrIrO
3
에서의
스핀 전류의 전송
SrIrO3 박막 필름에서 스핀 확산 길이를 추산하기 위해, Py/SrIrO3 이중층에서 Py의 길버트 감쇠 파라미터 α가, ST-FMR(패터닝된 샘플에 대해) 및 광대역 FMR(5 mm x 5 mm 샘플에 대해)을 사용하여, 다양한 SrIrO3 두께에서 특성분석되었다. 길버트 감쇠 파라미터 α는, 공진 선폭 W의 주파수 의존적 측정(ST-FMR의 경우 4.5 내지 6.5 GHz, 및 FMR의 경우 5 내지 12 GHz)으로부터 얻어졌다. 도 10f에 도시된 바와 같이 스핀 펌핑 효과로 인해, SrIrO3 두께가 증가함에 따라 α의 향상이 관찰되었다. 데이터는 다음과 같이 확산 스핀 전송 모델에 피팅될 수 있다:
여기서, 
는 란데(Lande) g 인자이고, 
는 SrIrO3 두께가 0인 상태에서의 길버트 감쇠이고, 
는 단위 면적당 계면 스핀 혼합 전도도(spin mixing conductance)이며, 
는 SrIrO3의 스핀 확산 길이이다(참조: Boone, C. T., et al., Spin transport parameters in metallic multilayers determined by ferromagnetic resonance measurements of spin-pumping. J. Appl . Phys. 113, 153906 (2013)). 일정한 SrIrO3 저항률 ρ를 피팅에서 사용하였고, 이는 1.8 x 1014 Ω-1 m-2의 스핀 혼합 전도도 및 1.4 nm의 스핀 확산 길이를 제공하였다. SrIrO3의 큰 스핀 혼합 전도도는 Py/SrIrO3 계면에서 효율적인 스핀 전송(spin transport)을 가능하게 했다. SrIrO3에서의 스핀 확산 길이는, SrIrO3에서의 스핀 축적이 매우 짧은 두께 길이 규모로 일어날 수 있음을 시사한다. SrIrO3 SHC의 측정된 변화는 SrIrO3 스핀 확산 길이보다 훨씬 큰 두께 규모에서 발생했으며, 이로부터 결론지을 수 있는 바와 같이, 얇은 SrIrO3 샘플에서 SHC의 억제는 스핀 확산에 기인하기보다는 격자 대칭성의 변화에 기인한다.
엑스-
시투
Py
/
SrIrO
3
,
단일층
Py
및 Pt/
Py
대조군
샘플에 대한 측정
Py/SrIrO3 계면 투명도는 스핀 전류 전송 및 스핀 토크 생성에 중요한 역할을 하기 때문에, ST-FMR 측정 또한, 엑스-시투(ex-situ)적으로 성장된 Py/SrIrO3 샘플에 대해 수행되었다. 도 11a는 엑스-시투적으로 및 인-시투적으로 성장된 Py/SrIrO3 샘플에 대한 ST-FMR 스펙트럼을 보여준다. 엑스-시투 샘플의 경우, 챔버 진공을 2 분 동안 파괴한 후 Py를 증착시켰다. 2개의 샘플은 동일한 층상 구조(3.5 nm Py/20 uc SrIrO3), 및 XRD 및 AFM으로 특성분석된 유사한 SrIrO3 필름 품질을 갖는다. 동일한 ST-FMR 측정 조건(12 dBm, 6 GHz)에서, 인-시투 샘플은 훨씬 더 높은 S 및 A 진폭을 보여준다. 측정 동안 두 샘플이 동일한 마이크로파 전류 흐름을 갖는다고 가정하면, 인-시투 샘플은 훨씬 높은 스핀 토크 비율을 나타낼 것이다. 이는, 비이상적인(non-idea) Py/SrIrO3 계면이 스핀 혼합 전도도를 감소시킴을 시사한다.
마이크로파 주파수에서 불균일한 전류 분포로부터의 임의의 가짜 효과(spurious effect)를 확인하기 위해, ST-FMR 측정이 단일층 Py 샘플에 대해 수행되었다. 도 11b는 10 nm Py//LSAT 샘플의 ST-FMR 스펙트럼을 보여준다. Py 샘플의 대칭 성분은 무시할 정도로 작으며, Py/SrIrO3 샘플의 대칭 성분과는 반대였다. 관찰된 작은 반대칭 성분은 Py에서의 FMR 정류 또는 불균일한 전류 분포에 기인할 수 있다.
ST-FMR 측정 및 DC-조정 분석 또한, 도 12a, 12b 및 12c에 도시된 바와 같이 4 nm Pt/4 nm Py //SrTiO3 샘플에 대해 수행되었다. Pt의 저항률은 26 μΩ cm이고, 그것의 전류 분율은 0.73이다. 5 μm 폭, 10 μm 길이의 장치에서, 2 mA DC 전류가 주입되어, ST-FMR 스펙트럼을 변경시켰다(도 12a). SrIrO3에서의 전류밀도의 함수로서 공진 선폭의 변화를 선형 함수에 피팅함으로써(도 12c), 스핀 토크 비율이 수학식 S6에 기초하여 계산되었다. 다양한 주파수에 걸쳐 평균함으로써(도 12d), Pt 스핀 토크 비율 
및 SHC 
인 것이 밝혀졌다.
SrIrO
3
수송 특성
노출된(bare) SrIrO3 박막 필름 수송 특성은 5 mm x 5 mm SrIrO3//SrTiO3 샘플에서 반데르파우 기법(van der Pauw technique)을 사용하여 측정되었다. SrIrO3 실온 저항률은 샘플마다 약간의 변화를 보였다. SrIrO3의 수송 특성의 이방성을 측정하기 위해, SrIrO3 박막 필름의 시트 저항이, [100]pc 및 [010]pc 축들을 따라 패터닝된 홀 바(Hall bars) 상에서 4-포인트 저항 기법을 사용하여 측정되었다. 전형적인 SrIrO3 저항률 대 온도 곡선을 도 13a에 나타내었는데, 이는 두 결정 배향들 모두에서 금속 수송 특성을 나타낸다.
Py 저항률이, Al2O3/Py//SrTiO3 기준 샘플에서 반데르파우 기법을 사용하여 측정되었다. 이 연구에서 3.5 nm Py의 저항률은 62 μΩ cm이다. 각각의 Py/SrIrO3 이중층 샘플에서 SrIrO3의 전류 분율을 측정하기 위해, Py 및 SrIrO3 층들을 병렬 저항기로서 취급하였다. SrIrO3 저항률 및 그것의 전류 분율은, 다양한 샘플들 사이에서 Py 저항률이 일정하다고 가정함으로써, 추산되었다. 도 13b는 3.5 nm Py/tSIO SrIrO3//SrTiO3 샘플에서, SrIrO3 두께 tSIO의 함수로서, 추산된 SrIrO3 저항률 및 그것의 전류 분율을 보여준다.
제로 페르미 에너지에 대한 벌크 스핀-홀 전도도
계산된 벌크 스핀-홀 전도도는, 시스템이 가장 큰 응답을 나타내는 3개의 상이한 측정 지오메트리들에 대해, 도 4d에 나타나 있다. 제로 페르미 에너지(벌크 시스템에서 전하 중성에 해당) 주위에서, 세 가지 경우에 대해, SHC의 다양한 패턴들이 관찰되었다. 이러한 패턴들의 기원은, 도 14의 (A), (B) 및 (C)에 도시된 바와 같이, 브릴루앙 구역(Brillouin zone)에서 SHC를 분해(resolving)함으로써 이해될 수 있다. 운동량-분해된 SHC [
]는 기본적으로, 주어진 k 점에서의 점유된 전자 준위의 순 베리 곡률(net Berry curvature)이었다. 제로 에너지 주변의 SHC는 다음과 같은 브릴루앙 구역의 두 가지 상이한 영역들로부터 유래되었다: (i) 브릴루앙 구역 경계들(zone boundaries)에 있는 U 및 T 지점들의 주변 영역; 및 (ii) 브릴루앙 구역의 내부 영역(interior regions). 측정 지오메트리에 따라, 이 두 개의 별개의 영역들은 순 베리 곡률 분포에서 동일한 부호 또는 상이한 부호를 가질 수 있다. 
의 경우, 두 영역들은 순 베리 곡률에 대해 상이한 부호를 가졌으며, 이는 소거(cancellation)에 의해 고도로 억제된 SHC를 초래하였다. 다른 경우들 
및 
에서는, 전체 순 베리 곡률은 두 영역에서 동일한 부호를 가졌으며, 이는 큰 SHC를 초래하였다. 주목되는 바와 같이, 비록 세 경우가 스핀-홀 효과에 대해 동일한 기원을 공유하였지만, 이들 세 경우는 매우 다른 응답을 보였다.
실시예 2: DyScO3 기재, GdScO3 기재, 및 NdScO3 기재 상에서 성장된 SrIrO3에 대해서도 일련의 스핀-토크 연구가 수행되었다. x선 회절에 의해 확인된 바와 같이, SrIrO3층들은 모든 기재들 상에서 에피택셜하게 안정화되었다. 이는 SrIrO3와 기재 사이의 광범위한 격자 부정합(lattice mismatches)을 허용하였다. 도 17의 그래프는, 4 nm 퍼멀로이(Py) 상층을 갖는, 20개 단위 셀의 두께로 성장된 SrIrO3 필름에 대한 격자 부정합-의존적 스핀 궤도 비율을 보여준다. NdScO3 기재 상의 SrIrO3의 스핀 궤도 비율(스핀-토크 강자성 공진에 의해 특성분석됨)은 SrTiO3 상의 SrIrO3의 스핀 궤도 비율과 유사하지만, DyScO3 및 GdScO3 기재 상의 SrIrO3의 스핀 궤도 비율보다 높다(도면의 데이터 포인트들은 포물선 함수에 피팅됨). 이는 스핀 궤도 비율이 큰 압축/인장 변형을 선호한다는 것을 나타낸다. 변형에 대한 스핀 궤도 비율의 강한 의존성은, 밴드 구조 공학을 통해 5d 전자를 갖는 전이금속 페로브스카이트에서, 훨씬 더 높은 스핀-홀 효과를 설계하는 경로를 연다.
"예시적(illustrative)"이라는 단어는 본 명세서에서 예, 사례, 또는 예시로서 기능하는 것을 의미하는 것으로 사용된다. 본 명세서에서 "예시적"인 것으로 설명된 임의의 측면 또는 설계는 다른 측면 또는 설계에 비해 바람직하거나 유리한 것이라고 반드시 해석되는 것은 아니다. 또한, 본 개시의 목적을 위해, 달리 명시되지 않는 한, 단수 용어는 그것의 하나 이상을 의미한다.
본 발명의 예시적인 구현예들의 앞에서 기술된 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이는 완결적인 것으로 또는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 개조 및 변형이 앞에서의 가르침에 비추어 가능하거나, 또는 본 발명의 실시로부터 획득될 수 있다. 구현예들은, 통상의 기술자가 본 발명을, 다양한 구현예에서 그리고 고려된 특정 용도에 적합하도록 다양하게 개조된 상태에서, 이용하는 것을 가능하게 하기 위해, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 그리고 본 발명의 실제 응용으로서, 선택되고 기술되었다. 본 발명의 범위는 본 명세서에 첨부된 청구항들 및 그 균등물들에 의해 정의되는 것으로 의도된다.
Claims (13)
- 자기 스위칭 장치(magnetic switching device)로서, 상기 자기 스위칭 장치는:
기재;
상기 기재 상의 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층으로서, 상기 기재가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 압축 또는 인장 변형(strain)을 유도하는, 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층;
상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층 상의 강자성 재료 층;
상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층과 전기적으로 연통하는 제1 전극; 및
상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층과 전기적으로 연통하는 제2 전극;을 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 충전 전류를 통과시키도록 구성된,
자기 스위칭 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트는 5d 전이금속 페로브스카이트인, 자기 스위칭 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 5d 전이금속 페로브스카이트는 5d 이리데이트 페로브스카이트(iridate perovskite)인, 자기 스위칭 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 5d 전이금속 페로브스카이트는 결정 구조 SrIrO3를 갖는, 자기 스위칭 장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 SrIrO3는 [010]의 평면내 결정 배향(in-plane crystallographic orientation)을 갖는, 자기 스위칭 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트는 4d 전이금속 페로브스카이트인, 자기 스위칭 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 4d 전이금속 페로브스카이트는 결정 구조 SrRuO3를 갖는, 자기 스위칭 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 강자성 재료 층 위에 금속 산화물 캡핑 층을 더 포함하는, 자기 스위칭 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 강자성 재료 층은 다결정 금속 합금을 포함하는, 자기 스위칭 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 자기 스위칭 장치는 스핀 토크 자기 메모리 장치(spin-torque magnetic memory device)이고, 상기 강자성 재료 층은 자기 터널 접합부(magnetic tunnel junction)의 제1 강자성 층을 제공하고, 상기 자기 터널 접합부는 상기 제1 강자성 층 위의 유전체 스페이서 층 및 상기 유전체 스페이서 층 위의 제2 강자성 층을 더 포함하는, 자기 스위칭 장치.
- 제 17 항에 있어서, 상기 자기 터널 접합부의 저항을 측정하도록 구성된 저항 측정 장치를 더 포함하는 자기 스위칭 장치.
- 자기 스위칭 장치에서 강자성 재료 층의 자기 모멘트를 스위칭하는 방법으로서,
상기 자기 스위칭 장치는:
기재;
상기 기재 상의 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층으로서, 상기 기재가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 압축 또는 인장 변형을 유도하는, 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층; 및
상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층 상의 강자성 재료 층;을 포함하고,
상기 방법은 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 충전 전류를 통과시킴으로써, 수직 스핀 분극 전류(perpendicular spin polarized current)가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 생성되어 상기 강자성 재료 층 내로 전달되도록 하여, 상기 강자성 재료의 자기 모멘트를 스위칭하는 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque)를 상기 강자성 재료 내에 생성시키는 단계를 포함하는,
방법. - 스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리 셀(spin-torque magnetoresistance random access memory cell)에서 메모리를 판독 및 기록하는 방법으로서,
상기 스핀 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리 셀은:
기재;
상기 기재 상의 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층으로서, 상기 기재가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 압축 변형을 유도하는, 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층; 및
상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층 상의 자기 터널 접합부;를 포함하고,
상기 자기 터널 접합부는:
상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층과 계면을 형성하는 자유 층(free layer)으로서, 강자성 재료의 에피택셜 층을 포함하는 자유 층;
상기 자유 층 상의 유전체 스페이서 층; 및
상기 유전체 스페이서 층 상의 강자성 재료를 포함하는 고정 층(fixed layer);을 포함하며,
상기 방법은:
상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층을 통해 평면내 충전 전류를 통과시킴으로써, 수직 스핀 분극 전류가 상기 전기전도성 에피택셜 단결정 4d 또는 5d 전이금속 페로브스카이트 층에서 생성되어 상기 자유 층 내로 전달되도록 하여, 상기 자유 층의 자기 모멘트를 스위칭하는 스핀 궤도 토크를 상기 자유 층 내에 생성시키는 단계; 및
상기 자기 터널 접합부의 저항을 측정하는 단계;를 포함하는,
방법.
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