Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych...

37
Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod kątem zastosowań w elektronice spinowej Jaroslaw Kanak Katedra Elektroniki, WIEiT AGH Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019 NCN grant DEC-2012/05/E/ST7/00240

Transcript of Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych...

Page 1: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod kątem zastosowań w elektronice spinowej

Jarosław Kanak

Katedra Elektroniki, WIEiT AGH

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019NCN grant DEC-2012/05/E/ST7/00240

Page 2: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

2

Laboratorium Badań Strukturalnych

W dniu 25 lipca 2013r. Laboratorium uzyskało akredytacjęz Certyfikatem Akredytacji Laboratorium Badawczego nr AB 1445

http://www.lbs.agh.edu.pl/

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 3: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

3

Plan prezentacji

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

• Układy Co/Pt z prostopadłą anizotropią magnetyczną

• Hybrydowe układy metal spinowo-orbitalny/ferromagnetyk do badań spinowego efektu Halla (Ta/CoFeB/MgO/Ta)

• Motywacja

• Magnetyczne złącza tunelowe (MTJ)

Page 4: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

4

Spis publikacji

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

[1] J. Kanak , M. Czapkiewicz, T. Stobiecki, M. Kachel, I. Sveklo, A. Maziewski, and S. van Dijken, phys. stat. sol. (a), 204 (2007) 3950

[2] J. Kanak , T. Stobiecki, V. Drewello, J. Schmalhorst, and G. Reiss, phys. stat. sol. (a), 204 (2007) 3942

[3] J. Kanak , T. Stobiecki, A. Thomas, J. Schmalhorst, G. Reiss, Vacuum, 82 (2008) 1057

[4] J. Kanak , T. Stobiecki, S. van Dijken, IEEE Trans. Magn., 44 (2008) 238

[5] J. Cao, J. Kanak , T. Stobiecki, P. Wisniowski, and P.P. Freitas, Effect of Buffer Layer Texture on the Crystallization of CoFeB and on

the Tunnel Magnetoresistance in MgO Based Magnetic Tunnel Junctions, IEEE Trans Magn., 45 (2009) 3464,

[6] J. Kanak , P. Wiśniowski, T. Stobiecki, A. Zaleski, W. Powroźnik, S. Cardoso, P. Freitas, J. Appl. Phys. ( 2013) vol. 113, 023915,

[7] M. Cecot, J. Wrona, J. Kanak , S. Ziętek, W. Skowroński, A. Żywczak, M. Czapkiewicz, T. Stobiecki, IEEE Transactions on

Magnetism 51 (2015) 6101504

[8] M. Frankowski, A. Żywczak, M. Czapkiewicz, S. Ziętek, J. Kanak , M. Banasik, W. Powroźnik, W. Skowroński, J. Chęciński, J.

Wrona, H. Głowiński, J. Dubowik, J.-Ph. Ansermet, T. Stobiecki, J. Appl. Phys. 117, (2015) 223908,

[9] W. Skowroński, M. Cecot, J. Kanak , S. Ziętek, T. Stobiecki, L. Yao, S. van Dijken, T. Nozaki, K. Yakushiji, S. Yuasa, Appl. Phys.

Lett. 109 (2016) 062407,

[10] M. Cecot, Ł. Karwacki, W. Skowroński, J. Kanak , J. Wrona, A. Żywczak, L. Yao, S. Dijken, J. Barnaś, T. Stobiecki, Scientific

Reports 7, Article number: 968 (2017)

[11] P. Nawrocki, J. Kanak , M. Wójcik, T. Stobiecki,Co-59 NMR analysis of CoFeB-MgO based magnetic tunnel junction, Journal of

Alloys and Compounds. 741 (2018) 775-780

[12] W. Skowroński, Ł. Karwacki, S. Ziętek, J. Kanak , S. Łazarski, K. Grochot, T. Stobiecki, P. Kuświk, F. Stobiecki, and J. Barnaś,

Physical Review Applied, Accepted 15 January 2019

Page 5: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Motywacja

5

Everspin:1Gb STT-MRAM chip - grudzień 2018 (256Mb 2016)

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 6: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Motywacja

6

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 10110-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105

MTJ sizeMTJ sizeMTJ sizeMTJ size ((((µµµµmmmm

2222

))))

Samsung 2011

Avalanche 2010MagIC-IBM 2010

TSMC&Qualcomm 2009

Toshiba2008 MagIC-IBM 2008

IBM2003

Everspin2010

Everspin2010Hitachi&Tohoku 2010

SONY 2005

Grandis 2010

Everspin 2010

       

        

Toshiba 2012

Writ

ing

ener

gy

(pJ/b

it

)

Writ

ing

ener

gy

(pJ/b

it

)

Writ

ing

ener

gy

(pJ/b

it

)

Writ

ing

ener

gy

(pJ/b

it

) MRAM(Øersted field)

Spin-transfer torque(STT) - RAM

Voltage effect

STT+voltage effect

MRAM

STT-RAM

Energy requiredfor data retention

(60 kBT)

Φ30nm Φ100nmΦ10nm

after T. Nozaki AIST

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 7: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

7

Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ)

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

MR=(RAP-RP)/RP~ 1000%

Butler et al.PhysRev. B, 63 056614 (2001).

Mathon& Umerski, Phys. Rev. B 220403 (2001).

Page 8: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

8

Zawór spinowy MTJ

M1

M2

RPRAP

Przełączanie zewnętrznym polem

Przełączanie prądem

W. Skowroński

warstwa swobodna

izolator

warstwa zamocowana

warstwy buforowe

antyferromagnetyk

podłoże

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 9: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

9

Tunelowa Magnetorezystancja (TMR)Ikeda, Appl. Phys. Lett. 93, 082508 (2008).

Próbki: J. Wrona, Singulus Timaris PVD Cluster Tool SystemTEM: L. Yao , S. Van Dijken, Aalto, Finland

MgO

CoFeB

CoFeBRu

CoFe

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 10: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

10

Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ)

J. Kanak, et al. Vacuum 82 (2008)1057J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a) 204 (2007) 3942

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 11: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Nanoszenie i strukturyzacja

11Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Leybold CLAB600 •sputter deposition•6 sources, 4", DC or RF mode•high vacuum•automatic sample handling•plasma oxidation chamber

University Bielefeld - Thin Films and Physics of Nanostructures

Page 12: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

IrMn 12CoFeBMgO

CoFeB

Układy MTJ z barierą MgO

12Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Si(100)SiO

Cu 25

Si(100)SiOTa 5

Cu 25

A B

J. Kanak, et al. Vacuum 82 (2008)1057J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a) 204 (2007) 3942

Ta 5

Cu 30Ta 3

Au 25

Page 13: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

CoFeB

Układy MTJ z barierą Al-O i MgO

13Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

CoFeAlONiFe

MgOCoFeB

CoFeAlONiFe

CoFeBMgO

CoFeB

Si(100)SiO

Cu 25

Si(100)SiOTa 5

Cu 25

A

B

Page 14: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Układy PSV i EB-SV na buforze Ru

14

RMS 0.07 nm RMS 0.21 nm RMS 0.13 nm

J. Kanak, et al. J. Appl. Phys. 113, (2013) 023915

SubstrateTa 5

SubstrateTa 5

Ru 18

SubstrateTa 5

Ru 18

Ta 3

(a) (b) (c)

Bufor Ru

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Substrate glass

Ta 5

Ru 18

Ta 3

CoFeBt

MgO t

CoFeBt

Ru 5

Ta 5

Substrate glass

Ta 5

Ru 18

Ta 3

PtMn 20, 16

CoFe2Ru 0.9

CoFeBt

MgO t

CoFeBt

Ru 5

Ta 5

EB-SV P-SV

warstwy buforowe

elektrody

INESC MN

Page 15: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Analiza XRR - bufor Ru

15

1 2 3 4 510-1

100

101

102

103

104

105

106

Inte

nsity

(co

unts

)

ω (°)

Ta 5 fit

1 2 3 4 510-1

100

101

102

103

104

105

106

Inte

nsity

ω (°)

Ta 5/Ru 18 fit

1 2 3 4 510-1

100

101

102

103

104

105

106

Inte

nsity

ω (°)

Ta 5/Ru 18/Ta 3 fit

Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion

Ta 5.46 0.74

Ru 23.09 0.51

Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion

Ta 5.62 0.88 Ru 18.06 0.70 Ta 1.99 0.39

Ta-O 2.05 0.39

Roughness Interdiffusion

Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion

Ta 4.49 0.36

Ta-O 1.84 0.36

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 16: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Symulacje profili XRD

16

z

i

k

j

2

1 1 1

,,,,,,,, )

sin4exp(

)()()()(

∑∑∑= = =

=I

i

K

k

J

j

kjikjikjikji

i k zitf

GLCPI

λθπ

σ

θθθθ

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 17: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Symulacje profili XRD

17

J. Kanak, et al. J. Appl. Phys. 113, (2013) 023915

Sample

Ru 18 nm PtMn 20 nm CoFeB 15 nm

D

[nm]

texture

coeff.

D

[nm]

texture

coeff.

D

[nm]

texture

coeff.

PSV 16 1 - - 7 0.16

EB-SV 16 1 12 0.56 6 0.12

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 18: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Nanoszenie - system przemysłowy

18Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 19: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Optymalizacja struktury bufora

Ta 5 nm

CuN 50 nm

Ta 5 nm

CuN 50 nm

Ta 3 nm

Ru 20 nm

PtMn 16 nm

Co70Fe30 2 nm

Ru 0.9 nm

CoFeB 2.5 nm

MgO (0.65-1.1) nm

CoFeB 2.5 nm

Ru 5 nm

SiO2

Si

Ta 5 nm

Ta 3 nm

PtMn 16 nm

Co70Fe30 2 nm

Ru 0.9 nm

CoFeB 2.5 nm

MgO (0.65-1.1) nm

CoFeB 2.5 nm

Ru 5 nm

SiO2

Sipodłoże

warstwybuforowe

warstwy aktywne

warstwa przykrywająca

19

Potrzeba zastosowania bufora o odpowiedniej grubości - dolna elektroda

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 20: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Optymalizacja struktury bufora

20

30 40 50 60 70 80 90 100

- C

u(22

2)

PtM

n(31

1)

Cu(

111)

- P

tMn(

110)

- P

tMn(

222)

- C

u(20

0)

PtM

n(11

1)

bufor/PtMn/CoFe/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB/Ru

Log

inte

nsity

(ar

b. u

nits

)

- R

u(00

04)

- T

a(22

0)

- R

u(00

02) bufor:

Ta/CuN/Ta/CuN/Ta Ta/Ru/Ta

2θ (°)

- T

a(11

0)

Próbki wygrzane: 350 °C, 2 godziny

30 40 50 60 70 80 90 100

- C

uN(2

22)

CuN

(111

)

- P

tMn(

222)

- C

uN(2

00)

PtM

n(11

1)

bufor/PtMn/CoFe/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB/Ru

Log

inte

nsity

(ar

b. u

nits

)

- R

u(00

04)

- T

a(22

0)

- R

u(00

02) bufor:

Ta/CuN/Ta/CuN/Ta Ta/Ru/Ta

2θ (°)

- T

a(11

0)Próbki niewygrzane

PtMn fct (tetragonal)

PtMn fcc (cubic)

20

40

60

80PtMn[111] - 39.79

20

40

60

80PtMn[200] - 46.27

20

40

60

80PtMn[111]h - 40.3

20

40

60

80PtMn[002]h - 49.575

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Przejście do stanu antyferromagnetycznego

Page 21: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Pomiary XRR, AFM

21

1 2 3 4 5

Log

inte

nsity

(ar

b. u

nits

)

ω (°)

2137 5 Ta 2133 5 Ta/50 CuN/3 Ta/50 CuN/3 Ta 2141 5 Ta / 20 Ru / 3 Ta

interfejs Ta/Ru

interfejs Ta/CuN

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 22: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Wpływ bufora na sprzężenia

22

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO

M

[a.u

.]

H [Oe]

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO

M [a

.u.]

H [Oe]

-100 0 100 200 300 400 500

0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO

M [a

.u.]

H [Oe]

-100 0 100 200 300 400 500

0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO

M

[em

u]

H [Oe]

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.11

10

100

1000

Ta/CuN/Ta/CuN/Ta Ta/Ru/Ta

H IE

C[O

e]

t MgO [nm]

HIEC

−−×

−−=λ

πλ

πλ

πλ

π SPF

F

PS

ttt

t

MhH

22exp

22exp1

22exp1

2

22

Interlayer Exchange Coupling

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 23: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Optymalizacja bariery MgO

23

39 40 41 42 43 44 45

10

20

30

40

50In

tens

ity [c

ount

s]

2 θ [°]

1mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr

10 15 20 25 30

20

40

60

80

Inte

nsity

[cou

nts]

ω [°]

1mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr

1 2 3.8 5.6 7.5 155.56.06.57.07.58.0

Ar pressure [mTorr]

FW

HM

[°]

XRD θ-2θ XRD rocking curve

Si (001)Si-OTa 5

CuN 50

Ta 5

CuN 50

Ta 3

PtMn 16

Ru 0.9

CoFe 2

CoFeB 2.3

MgO 5

CoFeB 2.3

Ta 10

CuN 30

Ru 7

Wygrzewanie – 3600C, 2h pole 1T

6

7

8

1 2 3.8 5.6 7.5 152.124

2.128

2.132

2.136

High pressure

FW

HM

[°]

(a)Low pressure

Ar pressure [mTorr]

Inte

rpl.

dist

. [Å

]

(b)

J Wrona, J Kanak, et al., Journal of Physics: Conference Series, 200, (2010) 052032

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 24: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Optymalizacja bariery MgO

24

Si (001)Si-OTa 5

CuN 50

Ta 5

CuN 50

Ta 3

PtMn 16Ru 0.9CoFe 2

CoFeB 2.3MgO klinCoFeB 2.3

Ta 10CuN 30

Ru 7

0.6 0.7 0.8 0.9 1.00

40

80

120

160

200

240

TM

R [%

]

tMgO

[nm]

1mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1

10

RA

[Ω(µ

m)2 ]

tMgO

[nm]

1mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

10

100

IEC

fiel

d [O

e]

tMgO

[nm]

1mTorr 2mTorr 3.8mTorr

Low pressure

5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr

High pressure

Bufor CuN

klin MgO

0.7 nm 1 nm

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 25: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Układy Co/Pt z antyferromagnetykiem

25Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Pt 2 nmIrMn 10 nm

CoPt 2 nm

CoPt 2 nm

CoPt 2 nm

CoPt 2 nm

CoPt 2 nm

Co

IrMn 10 nm

Pt 2 nm

AF

AF

topbottom

J. Kanak, et al. IEEE Trans. Magn., 44 (2008) 238

Si

SiO

Ta 5 nm

Cu 10 nm

Si

SiO

Ta 5 nm

Si

SiO

Ta 5nm

Si

SiO

Si

SiO

Ta 5 nm

Si

SiOPt 2 nm

Cu 10 nm Cu 10 nm

Pt 10 nm

Ta 5 nm Ta 5nm

Cu 10 nm

Pt 2 nm

Si

SiO

Cu 10 nm

A B C D E F G

Co 0.5, 0.7 nm

100nm 100nm

RMS = 0.55 nm RMS = 0.81 nm

100nm

RMS = 0.22 nm

IrMn 10 nm

Co 0.5 nmPt 2 nm

Co 0.5 nmPt 2 nm

Co 0.5 nmPt 2 nm

1 2 3 4 510-1

100

101

102

103

104

105

106

Inte

nsity

ω [O]

Bottom Pt2 #487 #487 fit #487@250 #487@250 fit

Page 26: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Układy Co/Pt z antyferromagnetykiem

26Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 27: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Pt 2 nmCo

Pt 2 nmCo

Pt 2 nm

Supersieć Co/Pt

27Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

CoPt 2 nm

CoPt 2 nm

CoPt 2 nm

SiSiO

Ta 5 nm

Cu 10 nm

SiSiO

Ta 5 nm

SiSiO

Ta 5nm

Cu 10 nm Cu 10 nm

Ta 5 nm Ta 5nm

Cu 10 nm

SiSiO

Cu 10 nm

A B C D

J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a), 204 (2007) 3950

Page 28: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Układy Co/Pt z prostopadłą anizotropią

28Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a), 204 (2007) 3950

Page 29: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Spinowy efekt Halla

29

• Spinowo spolaryzowany prąd w metalach ciężkich - oddziaływanie spin-orbita• Materiał ferromagnetyczny Fe, Co, CoFeB• Materiały: ciężki metal - Ta, W, Pt,

K. Ando, et al., J. Appl. Phys. 109, 103913 (2011)

Spinowy kąt Halla θSH stosunek prądu spinowego do prądu ładunkowego:

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 30: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Ta/CoFeB – badania strukturalne

30

Ta x nmSiO2

Si

Wygrzewanie: 330 °C, 20 minBufory: Ta 5 nm, 10 nm, 15 nm

Ta x nmSiO2

Si

30 35 40 45 50

400

600

800

1000

1200

1400 Si/SiO/Ta/

Inte

nsity

[a.u

.]

2θ (°)

Si/SiO substrate Ta 5 nm Ta 10 nm Ta 15 nm

θ-2θ

30 35 40 45 50200

400

600

800

1000

1200

1400Si/SiO/Ta/CFB/MgO/Taθ-2θ

Inte

nsity

[a.u

.]

2θ (°)

Si/SiO substrate Ta 5 nm Ta 10 nm Ta 15 nm

20 40 60 80 100 12010

100

1000

10000

100000

Si (

006)

Si (

004)

15 nm Ta

coun

ts Si (

002)

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 31: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Analiza pomiarów XRD

31

200400600800

100012001400

200400600800

100012001400

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50200400600800

100012001400

Si (

002)

MgO

(00

2)

Ta 5 nmSi/SiO/Ta/CFB/MgO/Taθ-2θ

Inte

nsity

[a.u

.]

Si (

002)

MgO

(00

2)

Ta 10 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

Ta

(002

)

Ta

(410

)

Ta

(330

)T

a (2

02)

Ta

(212

)T

a (4

11)

Ta

(331

)

Ta

(312

)

Si (

002)

MgO

(00

2)

Ta 15 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

2θ (°)

Ta

(002

)

Ta

(410

)

Ta

(330

)T

a (2

02)

Ta

(212

)T

a (4

11)

Ta

(331

) Ta

(312

)

200400600800

100012001400

200400600800

100012001400

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50200400600800

100012001400

Si (

002)

MgO

(00

2)

Ta 5 nmSi/SiO/Ta/CFB/MgO/Taθ-2θ

Inte

nsity

[a.u

.]

Si (

002)

MgO

(00

2)

Ta 10 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

Ta

(002

)

Ta

(410

)

Ta

(330

)T

a (2

02)

Ta

(212

)T

a (4

11)

Ta

(331

)

Ta

(312

)

Si (

002)

MgO

(00

2)

Ta 15 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

2θ (°)

Ta

(002

)

Ta

(410

)

Ta

(330

)T

a (2

02)

Ta

(212

)T

a (4

11)

Ta

(331

) Ta

(312

)

200

400

600

800

1000

1200

200

400

600

800

1000

1200

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

200

400

600

800

1000

1200

Ta 5 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

Ta

(312

)

Ta

(331

)

Ta

(411

)T

a (2

12)

Ta

(202

)

Ta

(330

)

Ta

(410

)

Ta 10 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

Si/SiO/Ta x/CFB/MgO/TaGID@ω = 1°

Ta

(002

)

Ta 15 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

2θ (°)

Ta

(002

)

Ta

(410

)

Ta

(330

)

Ta

(202

)T

a (2

12) T

a (4

11)

Ta

(331

)

Ta

(312

)

200

400

600

800

1000

1200

200

400

600

800

1000

1200

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

200

400

600

800

1000

1200

Ta 5 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

Ta

(312

)

Ta

(331

)

Ta

(411

)T

a (2

12)

Ta

(202

)

Ta

(330

)

Ta

(410

)

Ta 10 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

Si/SiO/Ta x/CFB/MgO/TaGID@ω = 1°

Ta

(002

)

Ta 15 nm

Inte

nsity

[a.u

.]

2θ (°)

Ta

(002

)

Ta

(410

)

Ta

(330

)

Ta

(202

)T

a (2

12) T

a (4

11)

Ta

(331

)

Ta

(312

)

θ-2θ GID (grazing incidence diffraction)

M. Cecot, J. Kanak, et al., Scientific Reports 7, Article number: 968 (2017)

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 32: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Struktura warstwy Ta

32

Ta 5 nm

SiO2

Si

RMS = 0. 23 nm

Ta 10 nm

SiO2

Si

RMS = 0. 26 nm

RMS = 0. 29 nm

Ta 15 nm

SiO2

Si

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 33: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Badanie interfejsu Ta/CoFeB

33

1E+02

1E+04

1E+06

1E+08

1E+02

1E+04

1E+06

1E+08

1 2 3 4 5

1E+02

1E+04

1E+06

1E+08

simulation

5 Ta

a)

simulation

Cou

nts

[a.u

.] 10Ta

b)

simulation

ω (°)

15Ta

c)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70as deposited Ta 5 nm

Ta 10 nm Ta 15 nm

annealed Ta 5 nm Ta 10 nm Ta 15 nm

Rou

ghne

ss R

MS

[nm

]

CFB thickness [nm]

Ta 5 nm

SiO2

Si

RMS = 0.57 nm

RMS = 0.53 nm

RMS = 0.51 nm

CoFeB 1 nm

MgO 5 nm

Ta 5 nm

Ta 10 nm

SiO2

Si

CoFeB 1 nm

MgO 5 nm

Ta 5 nm

Ta 15 nm

SiO2

Si

CoFeB 1 nm

MgO 5 nm

Ta 5 nm

RMS = 0.22 nm

RMS = 0.23 nm

RMS = 0.23 nm

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

Page 34: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Kąt Halla, MDL

34Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

0

1

2

3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

1

2

3

0

1

2

3

4

10Ta as deposited 10Ta annealed

b)

15Ta as deposited15Ta annealed

CoFeB thickness [nm]

c)

5Ta as deposited 5Ta annealed

M/A

[em

u/cm

2 ] x 1

0-4

a)

0

1

2

3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

1

2

3

0

1

2

3

4

10Ta as deposited 10Ta annealed

b)

15Ta as deposited15Ta annealed

CoFeB thickness [nm]

c)

5Ta as deposited 5Ta annealed

M/A

[em

u/cm

2 ] x 1

0-4

a)

5 10 150.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

As deposited

DL

[nm

]

Ta [nm]

Annealed

Warstwa magnetycznie martwa

M. Cecot, J. Kanak, et al., Scientific Reports 7, Article number: 968 (2017)

Ta/CoFeB/MgO

Page 35: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

35

Podsumowanie

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

• W pracy przebadano szeroką gamę materiałów stosowanych w elektronice spinowej

• Wykazano, że dobór materiałów, sposób nanoszenia oraz struktura warstwowa ma ogromny wpływ na własności mikrostrukturalne

• Pokazano wpływ struktury na międzywarstwowe sprzężenia magnetyczne i charakterystyki przełączania

Page 36: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

Podziękowania

36

Katedra Elektroniki, AGH:• Monika Cecot• Witold Skowroński• Sławomir Ziętek• Tomasz Stobiecki• Maciej Czapkiewicz• Wiesłw Powroźnik• Piotr Wiśniowski• Marek Frankowski• Stanisław Łazarski• Krzysztof Grochot

• Antoni Żywczak – ACMiN, AGH• Jerzy Wrona – Singulus Technologies, Niemcy• S. van Dijken, L. Yao - Nanomagnetism and spintronics, Uniwersytet Aalto, Finlandia

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019

NCN grant DEC-2012/05/E/ST7/00240 - Struktura krystaliczna, modele oraz własności magnetoelektryczne układów wielowarstwowych nanoelektroniki spinowej

Page 37: Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem ...Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod k ątem zastosowa ń w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra

37

Dziękuję za uwagę

Seminarium WFiIS AGH, 25 I 2019