The Spin-Hall effect (SHE) generates a transverse spin current, which can be transferred to adjacent magnetization, thereby the magnetization dynamics is driven by the spin-orbit torque (SOT). Recent works have revealed the observation of the sizable SOT in a few light metals, which is contradicting to the fundamental of SOT requiring the strong spin-orbit coupling (SOC). This makes infer the existence of orbital Hall torque (OT), which is a result of the conversion of orbital current to spin current by SOC of the ferromagnet. To confirm that expectation, we control the spin-orbit coupling of the system in a various ways.
Spin-Hall effect (SHE) generates a transverse spin current, which can be transferred to adjacent magnetization, thereby the magnetization dynamics is driven by the spin-orbit torque (SOT). Recent works have revealed the observation of the sizable SOT in a few light metals, which is contradict to the fundamental of SOT requiring the strong spin-orbit coupling (SOC). This makes infer the existence of orbital Hall torque (OT), which is a result of the conversion of orbital current to spin current by SOC of the ferromagnet. To confirm that expectation, we control the spin-orbit coupling of the system in a various way.
First, we studied the gadolinium, a rare-earth material having 4f orbitals with strong SOC. We discovered the oxygens in gadolinium can be easily migrated by the small electric-field by real-time optical measurement and the resistance change. The electric control of oxygen migration can offer the tuning of magnetic properties of Gd effectively. Second, we controlled the effective SOC of ferrimagnetic CoGd by the relative composition between cobalt and gadolinium. We measured the spin-orbit torques in Pt/CoTb/Cr structures, here the Cr is selected for the generation of large OT. The switching current for magnetization reversal and the current induced effective fields are more less in the terbium-rich device than that of the cobalt-rich device. Third, we studied the additional current-induced torque from 3d transition metals (Cr, Cu, Ti), generated by inserting a thin Pt layer at the interface of the ferromagnet/3d TM. We conducted the harmonic Hall measurement and all the three materials exhibited the additional torque originated from the bulk of the material. Fourth, we additionally observed the unconventional Hall effect (UHE) in the general metal/intrinsic silicon structure. As opposite to the conventional assumption that the high resistive Si is negligible, the contribution of the interface of M/Si on the Hall resistance was sizable. In particular, since the magnetic field orientation dependence on UHE resembles the damping-like spin-orbit torque, it has to be considered carefully in the harmonic measurement. Our results offer the possibility that material platforms for SOT can be expanded to the system with weak SOC by controlling the interfacial SOC or the ferromagnetic materials.
스핀 홀 효과는 스핀-궤도 상호작용에 의해 나타나는 현상으로 흐르는 전류의 수직방향으로 스핀전류가 생성되는 현상을 말한다. 이렇게 생성된 스핀전류는 인접한 자성체에 주입될 수 있고, 자성체에 주입된 스핀은 자성체 자화에 토크를 가하게 되는데, 이것을 스핀-궤도 토크라고 한다. 스핀-궤도 토크를 이용하여 자화를 반전시키거나, 자화를 회전시키는 것이 가능하기 때문에 스핀-궤도 토크에 대한 연구는 많은 관심을 받아왔다. 스핀-궤도 토크는 스핀-궤도 상호작용이 큰 중금속(예를 들면 Pt이나 Ta)에서 크게 나타나기 때문에, 기존의 연구는 중금속/강자성체 이종접합 구조에 대한 연구가 주를 이루었다. 그러나 최근 들어 스핀-궤도 토크 연구는 좀 더 일반적인 물질로 확장하고 있으며, 중금속 대신 경금속, 강자성체 대신 준강자성체를 사용하는 연구로 확장하고 있다.
최근의 연구에서 중금속이 아닌3d 전이금속에 해당하는 경금속에서도 상당한 스핀-궤도 토크가 발생한다는 사실이 보고되었다. 이는 기존의 스핀-궤도 상호작용에 기반한 예측과 다른 결과이며, 따라서 새로운 메커니즘이 존재함을 의미한다. 새롭게 제안된 이론에서는 기존의 스핀전류의 개념에서 확장하여 오비탈 자체의 흐름에 의해서 오비탈 전류가 생성되고, 이러한 오비탈 전류가 오비탈 홀 효과 등을 일으킬 수 있음을 제안하였다. 그러나 오비탈 전류는 직접적으로 측정하거나 관찰하기가 어렵기 때문에 실험적 확인에 대한 연구가 필요한 상황이다.
또한 자성체의 측면에서, 강자성체를 벗어나 준강자성체로 확장하는 주된 이유는 준강자성체가 더 빠른 자화 동역학을 보여 소자로서 더 적합하기 때문이다. 준강자성체로 주로 사용되는 물질은 전이금속인 Co, Ni, Fe과 희토류 금속인 Gd, Tb 등의 합금이다. 전이금속-희토류 합금을 만들게 되면 전이금속의 스핀방향과 희토류 금속의 스핀 방향이 반대로 정렬하여 준강자성체가 되며, 이 때 실제로 빠른 스핀 동역학이 관찰되었다. 또한, 페리자성체의 일부인 희토류 금속은 지닌 강한 스핀-궤도 상호작용을 갖기 때문에, 오비탈 전류의 효과가 상당히 나타날 수 있는 물질이 될 수 있다. 이러한 유용한 특성들에도 불구하고, 준강자성체에 대한 연구는 여전히 많은 난관이 있다. 그 중 가장 중요한 것이 희토류 금속의 산화로 인해 소자의 특성이 변질된다는 점이다. 따라서 희토류 물질의 산화 메커니즘에에 대한 명확한 이해가 필요한 상황이다.
본 학위 논문에서는 경금속 및 준강자성체에 대한 연구를 진행하여, 오비탈 토크의 실험적 확인 및 준강자성체 산화 및 환원 메커니즘을 밝히고자 하였다. 먼저 우리는 대표적 희토류 물질인 가돌리늄의 산화 환원 메커니즘을 연구하였다. 이를 위해 가돌리늄을 산화 및 환원시키면서 그 양상을 광학적 및 전기적 방법으로 확인하였다. 그 결과 희토류 물질의 산화 환원 현상이 전기장에 의한 산소 이온의 이동에 의해 일어남을 확인하였다. 두번째로, 우리는 준강자성체 코발트 가돌리늄 합금을 사용하여 스핀 토크 측정 실험을 진행하였다. 백금/코발트 가돌리늄 합금/크롬 구조로 제작된 시료에서 측정을 진행하였고, 가돌리늄 비중이 높은 물질에서 토크가 크게 측정이 되었다. 이 결과는 희토류 물질의 강한 스핀-궤도 상호작용이 토크를 증가시키는 것으로, 오비탈 토크의 존재를 나타낸다. 세번째로, 우리는 3d 금속 (구리, 크롬, 티타늄)을 사용하여, 코발트/백금/3d 경금속 구조에서 토크 측정을 진행하였다. 하모닉 측정을 통해 얻어낸 3d 경금속의 토크 효율이 계면 스핀 오빗 상호작용에 의해 증가함을 확인하여 오비탈 토크의 증거임을 제시하였다. 마지막으로, 우리는 금속/진성 실리콘에서 예상치 못한 홀 효과를 관찰하였다. 진성 실리콘은 비저항이 커서 전류의 흐름에 영향을 주지 않을 것이라는 기존의 예상과는 달리, 진성 실리콘에서 나오는 전기 신호는 무시할 수 없었다. 확인 결과 이는 전기장에 의한 쇼키 장벽의 변화 및 공핍층의 확장에 의해 나타난다는 사실을 확인하였다. 특히 이 현상은 잘 알려진 감쇠형 스핀 토크와 측정에 직접적 영향을 주기 때문에, 스핀 토크 측정시 반드시 고려되어야 함을 제시하였다. 이상의 결과로부터 우리는 기존의 중금속/강자성체에 국한된 물질 선정에서 벗어나 다양한 물질을 스핀토크 연구에 활용할 수 있게끔 방향성을 제시하였다.
