Spin-orbit torque (SOT) allows for the efficient switching of magnetization via the in-plane current in perpendicularly magnetized nonmagnetic-metal (NM)/ ferromagnetic-metal (FM) nanostructures, representing various advantages such as high reliability and fast speed. Studies on spin Hall effect, which is one of possible mechanisms, have been greatly reported. The efficiency of SOT-induced switching has been known to be determined by NM and its spin-Hall angle. However, the interfacial spin-orbit coupling contribution to switching has been largely ignored due to the difficulties in identifying it. Here, I focus on the interfacial contribution to SOT by using insertion of Ti layer between NM and FM layers. Six types of metals were used as NM layers (Mg, Al, Cr, Cu, Ta, Pt) in NM/Ti/CoFeB/MgO structures. First, I examined the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) properties of the samples, which is a prerequisite for the measurement of SOT. Among them, structures with four types of metals (Cr, Cu, Ta, Pt) showed strong PMA. I measured the considerable magnitude of SOT in structures with Cr, Ta, Pt. I further explored the interfacial effect by inserting various thicknesses of Ti layers. I report significant interfacial effects on SOT in Pt/CoFeB/MgO structures. I observe that the switching efficiency and the SOT are enhanced by 1.8 and 2.5 times, respectively, when the Pt/CoFeB interface is engineered with 1 nm of Ti. In comparison, Ta/CoFeB/MgO structures show a monotonous degradation of their switching performances upon the insertion of Ti. The results here experimentally suggest that interface modulation enables progress in SOT-induced switching and enriches our understanding of SOT.
스핀-오빗 토크 수직 자화된 비자성/강자성 나노 구조에서 수평 전류로 효율적인 자화 반전을 가능하게 하는 스핀 토크로써 최근 스핀트로닉스 분야에서 활발하게 연구되다. 스핀-오빗 토크에 의한 자화 반전은 높은 안정성, 빠른 자화 반전 속도 등의 다양한 장점을 지니고 있다. 스핀 홀 효과는 이러한 스핀-오빗 토크가 발생되는 하나의 메커니즘으로 많은 연구가 보고되고 있다. 이 전의 연구에 의하면 비자성 물질의 스핀 홀 각도가 스핀-오빗 토크 자화 반전의 효율을 결정짓는 요인이라고 알려져 왔다. 하지만 스핀-오빗 토크의 또 다른 메커니즘인 계면 스핀-오빗 결합에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이 논문에서는, 스핀-오빗 토크의 계면 효과에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 스핀-오빗 상호작용이 작은 Ti를 비자성층과 강자성층 사이에 삽입하여 계면을 제어한 비자성/Ti/강자성/절연층 구조를 이용하였다. 비자성층으로는 Mg, Al, Cr, Cu, Ta, Pt 여섯 가지 종류의 금속이 이용되었다. 먼저 모든 구조에서 스핀-오빗 토크 측정의 필수적인 요소인 수직 자기 이방성에 대한 실험을 진행하여 Cr, Cu, Ta, Pt 를 비자성층으로 갖는 구조에서 강한 수직 자기 이방성이 관찰되었다. 또한 Cr, Ta, Pt를 비자성층으로 갖는 구조에서 스핀-오빗 토크를 측정할 수 있었다. 계면 효과에 대한 깊은 연구를 위해 다양한 두께의 Ti가 Ta(Pt)/ CoFeB/MgO 구조에 삽입되었다. 그 결과, Pt/Ti/CoFeB/MgO 구조에서 굉장히 큰 계면 효과가 발견되었다. 즉, 1 nm의 Ti가 삽입된 경우, 스핀-오빗 토크와 자화 반전 효율이 각 각 2.5배, 1.8배 증가하였다. 반면 Ta/Ti/CoFeB/MgO 구조에서는 Ti가 삽입됨에 따라 스핀-오빗 토크의 크기와 자화 반전 효율이 저하되는 현상을 보였다. 이 결과는 계면 효과가 스핀-오빗 토크와 자화 반전에 큰 영향을 미친다는 것을 실험적으로 보였을 뿐만 아니라, 계면의 제어를 통해 스핀-오빗 토크에 의한 자화 반전의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다는 가능성을 증명하였다.
