Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 1
- Applications of half-metals to spintronics devices and utilizations of soft X-ray magnetic circular dichroism -
Graduate School of Engineering,Tohoku university
Ins:tute for Materials Research (IMR), Tohoku university Y. Sakuraba, T. Iwase, K. Takanashi
T. Hiratsuka, T. Kubota, M. Oogane, Y. Ando
第1回先端磁性材料研究会 「次世代HDDヘッド,および,MRAM材料の進展と評価技術」 2009年3月17日
ハーフメタルのスピントロニクスデバイス応用と
軟X線MCD解析
桜庭裕弥,岩瀬拓, 高梨弘毅 東北大学金属材料研究所
平塚喬士,窪田崇秀, 大兼幹彦, 安藤康夫 東北大学工学研究科
児玉謙司, 中村哲也, 高輝度光科学研究センター/SPring-8 K. Kodama, T. Nakamura JASRI/Spring‐8
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 2
Outline
● Introduction : Half-metallic materials Half-metallic Heusler alloys
● Experiments
Experiment 1 Co2MnSi-based magnetic tunnel junctions
Experiment 2 MTJs with L10/L21-ordered alloy hybrid electrodes
Experiment 3 Half-metallic Ferri-magnets : Mn2VAl
Experiment 4 Co2MnSi-based CPP-GMR devices
● Summary
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 3
Introduc-on Half‐metallic materials
Oxides : CrO2, Fe3O4, La2/3Sr1/3MnO3 etc. Zinc-blend type compounds: CrAs, MnAs etc. Half-Heusler alloys: NiMnSn, PtMnSb etc. Full-Heulser alloys : Co2MnSi, Co2MnGe, etc.
Candidates of half-metallic materials
E
EF
P = 1
Half-metal
EF
P < 0.6
3d Ferromagnet
Spin-polarization
€
P =D↑(EF ) −D↓(EF )D↑(EF ) + D↓(EF )
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 4
Introduc-on Applica0ons of half‐metallic materials
● MTJs & CPP-GMR devices
● Spin-Transistor
€
TMR ratio =2P1P21− P1P2
×100 (%)
€
JC ∝αg(θ)
MS2t
Spin-torque induced magnetization switching
Spin-injection efficiency :
€
g(θ) = P1 /(1+ P1P2 cosθ)
Schmidt et al. PRB (2000)
FM/SC/FM junction
Sugahara et al. APL (2004)
Spin-MOSFET based on Half-metallic source and drain
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 5
Introduc-on
Co2MnSi (CMS) High Curie temp.: TC ~ 985 K
High degree of L21 chemical ordering is easily obtained
Half-metallic energy gap EG : 0.4 ~ 0.6 eV
Half‐metallic full‐Heusler alloy Co2MnSi
CMS is a promising candidate in the half-metal candidates.
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 6
Experiment 1 Fabrica0on of CMS‐based MTJs
UHV magnetron spuBering system (P < 1 x 10‐7Pa)
MTJ Al-O barrier : Plasma oxidation of Al layer Micro-fabrication : PL & Ar ion milling (element size : 5 x 5 - 100 x 100µm2) Annealing : 200 -500℃ with applying H MR, I-V curve : DC 4-probe method
Cr buffer layer Deposited@RT→Post-annealed@700℃
MgO(001) - subs
Cr (001) 40 nm
Co2MnSi(001)30 nm
Co75Fe25 5nm/Co2MnSi 10nm
IrMn 10 nm
Ta 5 nm
Al-O barrier
Co2MnSi bottom epitaxial electrode Composition :Target Co2.00Mn1.28Si1.30 → Film : Co2.00Mn1.00Si1.08 Deposited@RT → Post-annealed@Ta = 250 - 650℃ Crystal structure, the degree of ordering : XRD Magnetization : SQUID,VSM Surface image : AFM
Epitaxial relation : MgO(001)<100>/Cr(001)<110>/CMS(001)<110>
Lattice misfit < 5%
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 7
Experiment 1 CMS‐based MTJ
Stoichiometry
Highly L21-ordering Co2.00Mn1.00Si1.08 (ICP)
SL21 > 0.8 (XRD)
Extremely flat and sharp interfacial morphology
Magnetic tunnel junction (MTJs) with epitaxial CMS bottom electrode
Flat surface Ra < 0.2 nm
Conventional Al-O amorphous barrier
HR-TEM image
High-quality epitaxial CMS electrode
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 8
Experiment 1 CMS‐based MTJs
MgO(001) - subs
Cr (001) 40 nm
Co2MnSi(001)30 nm
Co75Fe25 5nm
IrMn 10 nm
Ta 5 nm
Al-O barrier
Co2MnSi : Mn has large affinity to oxygen compared to conventional 3d FM.
Magnetic impurities easily create between CMS/Al-O interface.
Optimization of interfacial chemical conditions is necessary.
1. Plasma oxidation time for Al-O : tox = 10 - 240 s
2. Insert thin Mg layer between CMS and Al-O.
Thickenss of Mg layer : tMg = 0 -1.3 nm
(Formation energy of oxide : Mg < Al, Co, Mn, Si)
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 9
XAS :Mn L-absorption edges
A1, B1, C1: large amound of Mn-O at interface
D1, E1: few Mn-O at interface
Additional multiplet structure indicates the presence of Mn-O impurities at interface.
Experiment 1 CMS‐based MTJs Investigation of interfacial Mn impurities by XAS using TEY (ALS beamline 6.3.1)
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 10
Experiment 1 CMS‐based MTJs
Mg thickness dependence of TMR ratio
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 11
Mg 1.0 nm0.8 nm
0.5 nm0 nm
Bias V = 1 mV
H (Oe)
203%@2K
93%@RT
Co2MnSi/Mg(t)/Al(1.3)-O(tox = 50 s)/CoFe
Temperature dependence of TMR ratio
CMS/Mg/Al-O/CoFe TMR = 203% (T = 2K)
0.97 < PCo2MnSi < 1.00 Nearly ideal half-metallic spin-polarization
Sakuraba et al. J. Mag. Soc. Jpn. (2007)
0.50 < PCoFe < 0.52
XAS using TEY is an useful technique to investigate barrier interface quality in MTJs
Experiment 1 CMS‐based MTJs
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 12
Co2MnSi based-MTJs
Co2MnSi/Al-O/Co2MnSi-MTJ TMR = 67%(RT), 570%(2K) Sakuraba et al. APL 88, 192508 (2006)
Co2MnSi/MgO/CoFe-MTJ TMR = 217%(RT), 753%(10K) Tsunegi et al. APL 93, 112506 (2008)
800
600
400
200
0
TMR
ratio
(%)
30025020015010050 Temperature (K)
Experiment 1 CMS‐based MTJs
CMS/MgO/CoFe
CMS/Al-O/CMS
CoFe/Al-O/CoFe
Co2MnSi/MgO/Co2MnSi-MTJ TMR = 182%(RT), 705%(4.2K) Ishikawai et al. JAP (2009)
CMS/Al-O/CoFe
Disappearance of half-metallicity at RT is the largest problem in CMS-based MTJs.
cf. CoFeB/MgO/CoFeB-MTJ TMR = 604%(RT), 1144%(4.2K)
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 13
Origin for disappearance of half‐metallcity at RT
Parallel Anti-parallel
Spin-flip at interface due to magnon excitation.
Co2MnSi/MgO
0.3 meV
1.3 -0.5
0.4
17 3.1
3.5
8
JCo = 93 meV JMn = 58 meV JMn = 158 meV
JCo = 19meV
Sakuma et al. J. Appl. Phys. 105, 07C910 (2009)
Weak exchange energy of Co at the interface.
Large magnon excitation by thermal energy is the most possible origin for disappearance of half-metallicity at RT in CMS-based MTJs.
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 14
Experiment 2 MTJs using L10/L21‐ordered alloy hybrid electrodes
MTJs with perpendicular magnetized electrodes are recent trend.
For developing Spin-RAM
・High thermal stability : KuV/kBT > 60 ・Small critical current density of spin-transfer torque switching : JC0 < 106 A/cm2
FePt/Fe/MgO/FePt – MTJ (MMM 2008, TOSHIBA)
→TMR ratio > 100% at R. T.
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 15
MgO(001)- sub.
Cr 40 nm
Pt 3 nm
CoPt 20 nm
MgO
CoPt
Ta
CMS 0.5 - 5 nm
CMS 0.5 - 5 nm
(001)-CoPt/CMS/MgO/CMS/CoPt fully-epitaxial MTJ can be fabricated. Lattice misfit between CMS(001) and CoPt(001) ~ 4%
High thermal stablity due to large magnetic anisotropy
Suppression of magnon excitation at CMS/barrier interface.
Large spin-polarization (TMR ratio) at RT
Experiment 2 MTJs using L10/L21‐ordered alloy hybrid electrodes
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 16
MgO(001)- sub.
Cr 40 nm
Pt 3 nm
CoPt 20 nm CMS 1 - 5 nm
35x10 3
30
25
20
15
10
5
0
Inte
nsity
(cps
)
80 70 60 50 40 30 20
2θχ (deg.)
CMS 5nm
CMS 4nm
CMS 2nm
CMS 3nm
CMS 1nm
CM
S (2
00)
CM
S (4
00)
CM
S (2
20)
CoP
t (11
0)
MgO
(200
)
CoP
t (20
0)
MgO
(220
)
CoP
t (22
0)
Structural analysis : XRD in-plane geometry (X-ray incident angle 2θ < 0.4deg.)
・B2-ordering even in 1nm-thick. ・fully-epitaxial growth
CMS: Deposited@RT →annealed@450℃
Experiment 2 MTJs using L10/L21‐ordered alloy hybrid electrodes
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 17
Surface flatness : AFM
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0R
a (n
m)
54321CMS Thickness (nm)
4
3
2
1
0
P - V
(nm)
Surface roughness is enough small to deposit MgO barrier.
Experiment 2 MTJs using L10/L21‐ordered alloy hybrid electrodes
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 18
M-H curves : SQUID, VSM
1.0x10-3
0.5
0.0
-0.5
-1.0
M(e
mu/
cm2 )
-20 -10 0 10 20Field (kOe)
CMS 1 nm 2 nm 3 nm 4 nm 5 nm
H // out-of-plane
Magnetic behavior of CMS layer can not be identified because of… (1) too small MCMS compared with MCoPt
(2) the error in subtraction procedure of MgO-subs contribution
Cr 40 nm
MgO(001)- sub.
Pt 3 nm CoPt 20 nm
CMS 1 - 5 nm ?
Other experimental techniques to observe surface moment is needed.
XMCD
Experiment 2 MTJs using L10/L21‐ordered alloy hybrid electrodes
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 19
e- e-
e-
e-
λx : penetration length of X-ray λxcosθ : penetration depth of X-ray λe : escape depth of photo electron
~ 2-4 nm
XMCD : SPring-8 BL25SU
Co2MnSi Co2MnSi
CoPt
Elements specific (Co and Mn) M-H curves can be measured.
Experiment 2 MTJs using L10/L21‐ordered alloy hybrid electrodes
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 20
5
4
3
2
1
0 In
tens
ity (a
rb. u
nits
) 720 700 680 660 640
Photon energy (eV)
d CMS = 5 nm
4 nm
3 nm
2 nm
1 nm
Mn L2,3 absorption edges
-1.0 -0.5 0.0
0.5
1.0 Normalized intensity
Mn Co
Mn Co
-1.0 -0.5 0.0
0.5
1.0
Normalized intensity
1 0 -1 Magnetic field (T)
Mn Co
-1.0 -0.5
0.0
0.5
1.0
Normalized intensity
Element specific M-H (H//out-of-plane) XMCD spectra (H//out-of-plane)
・dCMS < 3nm : CMS has perpendicular magnetic anisotropy, but magnetic moment is very small.
dCMS = 1 nm
dCMS = 3 nm
dCMS = 5 nm
L3
L2
L3 -edge
Experiment 2 MTJs using L10/L21‐ordered alloy hybrid electrodes
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 21
What is the next genera0on reading head? Requirements : Large MR ratio for high S/N ratio, Small RA for high speed reading
Reported MR ratio in small RA region 120
100
80
60
40
20
0 M
R ra
tio (%
)
0.01 2 3 4 5 6 7 0.1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 RA (Ω•µm2)
Ove
r 1Tb
it/in
ch2
CPP-GMR with NOL (Toshiba)
Co2MnSi/Cu (TDK) Co2MnGe/Cu (ALPS)
Co2FeAl/Cu (HGST)
CoFe/Cu (Toshiba)
MgO-MTJs Large MR ratio, but difficult to achieve small RA. CoFeB/MgO/CoFeB : RA = 0.4 Ω•µm2 ,MR = 50%
RA = 2.1 Ω•µm2 ,MR = 206% Nagamine et al. APL(2006)
Isogami et al. MSJ conf.(2008)
CPP-GMR Small RA, but difficult to achieve large MR ratio.
CoFe/Cu/CoFe : RA = 0.12 Ω•µm2 ,MR = 1.3% Yuasa et al. JAP(2002)
(ii)Using half-metallic full-Heusler alloy
(i)Using Nano-oxide layer(NOL) CoFe/NOL/CoFe : RA = 0.58 Ω•µm2 ,MR = 8.2%
Saito et al. Intermag(2004)
Fukuzawa et al. JPD(2007)
Co2MnGe/Cu/Co2MnGe : RA = 0.079 Ω•µm2 ,MR = 11.5%
Experiment 4 CMS‐based CPP‐GMR devices
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 22
CMS/Ag/CMS fully‐epitaxial CPP‐GMR device
◆ The highest MR ratio (28.8%@RT) is the best record in all of the reports to date.
cf. CoFe/Cu/CoFe : MR ~ 2.3%@RT
Experiment 4 CMS‐based fully‐epitaxial CPP‐GMR devices
MgO
Cr
Ag
Cr CMS Ag
CMS Ag/Au
20 nm 5 nm CMS
Ag
CMS
HR-TEM image
42
40
38
36
34
32
30
RA
[mΩ
•µm
2 ]
-200 -100 0 100 200Field [Oe]
30
20
10
0
MR
[%]MR ratio = 28.8% @RT
RA = 30.9 mΩ•µm2
ΔRA = 8.92 mΩ•µm2
マスタ タイトルの書式設定
• マスタ テキストの書式設定 – 第 2 レベル
• 第 3 レベル – 第 4 レベル
» 第 5 レベル
09.4.9 23
Summary
● XAS based on TEY is an useful technique to observe interfacial chemical state between barrier and FM electrodes in MTJs.
● Element specific magnetization measurement based on XMCD is an helpful technique to fabricate new types of half-metals such as, perpendicular magnetized half-metals and ferri-magnetic half-metals.