Spin valve films and strips in close proximity to a magnetic multilayer with perpendicular anisotropy
Authors:   , Ferhat Zahia 
Published: September 2024

The Racetrack memory is one of the devices that has attracted more attention within the field of spintronics. In this type of memory, the main idea is to move the bits of magnetic information rather than the disc, as it happens in conventional magnetic hard drives. In the racetrack memory, the domains separated by magnetic domain walls (DW), travel pushed by a spin polarised current and the sequence of information can be read at a point by for instance, a magnetic tunnel junction. One of the biggest challenges this memory faces is the reproducibility of the movement and position of the magnetic domain walls. Pinning the DW at a particular point is easy, but reproducibly depinning it from that point, not using a large amount of current, is a big challenge.

The scientific community has intensively worked on this problem in the last 20 years. The main approaches have been to increase the polarization of the current via surface effects such as the spin-orbit coupling, to use topology to make the magnetic `bit more stable, such as in the case of skyrmions and to use different types of pinning points so the positioning and movement of the DW can be more reliable and more energy efficient. In this last approach, we centre the work in the thesis.

In this work, we present an alternative method to pin and unpin a DW in a magnetic strip. To do so, we have used the magnetic interaction of the DW with an adjacent layer deposited on top with perpendicular magnetic anisotropy PMA. using a thorough magnetic characterization we have disentangled the magnetic interaction of this PMA multilayer with the different layers of a spin valve. Then using the knowledge of this magnetic interaction of this PMA multilayer with the different layers of a spin valve. Then, using the knowledge of this magnetic characterisation, we have fabricated nanostrips where the PMA multilayer has been used as a pinning point for the DW and the performance of this basic unit of a Racetrack memory has been electrically characterized. We found that this type of defect is much stronger at pinning the DW than we predicted from the magnetic characterisation. But then, its pinning capability can be easily tuned by separating the structure from the DW with an inactive layer. We therefore believe that the results presented in this thesis can pave the road to develop an alternative type of defects in racetrack memories. With the crucial advantage of not posing an additional source of Joule Heating. The development of this work involved learning a wide variety of fabrication and characterization techniques. The deposition of the films was done by sputtering. The magnetic characterisation was done by (Vibrating Sample Magnetometer) and AGFM (Alternating Gradient Force Magnetometer). The electric characterisation was done with transport rings custom-built in our laboratory. The fabrication of devices was done in a clean room involving several techniques, such as e-beam lithography, optical lithography, plasma etching, etc. We have occasionally used other techniques, such as magnetic force microscopy and/or atomic force microscopy.

The work began in October 2020, just at the beginning of a series of COVID restrictions that limited access to the laboratories. This was a large barrier during the first year of this thesis, particularly since it was mostly experimental. Despite the problems, the main initial goals of this thesis have been achieved. The main results were published in the Journal of Applied Physics, and the work was made an editorial-featured paper.

RESUMEN

La memoria Racetrack es uno de los dispositivos que más atención ha atraído dentro del campo de la espintrónica. En este tipo de memoria la idea principal es mover los bits de información magnética y no el disco, como ocurre en los discos duros magnéticos convencionales. En la memoria Racetrack, los dominios, separados por paredes de dominio magnético (DW), viajan impulsados por una corriente polarizada de espín y la secuencia de información se puede leer en un punto mediante, por ejemplo, una unión túnel. Uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta esta memoria es la reproducibilidad del movimiento y la posición de las DWs. Fijar la DW en un punto particular es fácil, pero desengancharla de manera reproducible desde ese punto, sin usar una gran cantidad de corriente, es un gran desafío.

La comunidad científica ha trabajado intensamente en este problema en los últimos 20 años. Los principales enfoques han sido aumentar la polarización de la corriente a través de efectos de superficie como el acoplamiento espín-órbita, utilizar la topología para hacer que el 'bit' magnético sea más estable, como en el caso de los skyrmions y utilizar diferentes tipos de defectos para que el posicionamiento y movimiento del DW sea más fiable y eficiente energéticamente. En este último enfoque es donde centramos el trabajo en la tesis.

En este trabajo, presentamos un método alternativo para fijar y desanclar un DW en una banda magnética. Para ello, hemos utilizado la interacción magnética del DW con una capa adyacente depositada encima, con anisotropía perpendicular al plano (PMA). Utilizando una caracterización magnética exhaustiva, hemos descifrado la interacción magnética de esta multicapa de PMA con las diferentes capas de una spin-valve. Luego, utilizando el conocimiento de esta interacción magnética de la multicapa PMA con las diferentes capas de la spin-valve, hemos fabricado nanotiras donde se ha utilizado la multicapa PMA como punto de fijación del DW y se ha caracterizado eléctricamente el rendimiento de esta unidad básica de una memoria Racetrack. Los resultados mostraron que este tipo de defecto es mucho más fuerte para fijar el DW de lo que se podía predecir a partir de la caracterización magnética. Sin embargo, su capacidad de fijación se puede ajustar fácilmente separando la estructura del DW con una capa inactiva. Por lo tanto, creemos que los resultados presentados en esta tesis pueden allanar el camino para desarrollar un tipo alternativo de defectos en las memorias Racetrack. Con la ventaja crucial de no suponer una fuente adicional de calentamiento Joule. El desarrollo de este trabajo he implicado el aprendizaje de una amplia variedad de técnicas de fabricación y caracterización. El depósito de las películas se realizó mediante pulverización catódica. La caracterización magnética se realizó mediante VSM (Vibrating Sample Magnetometer) y AGFM (Alternating Gradient Force Magnetometer). La caracterización eléctrica se realizó con sistemas de medida de transporte fabricados a medida en nuestro laboratorio. La fabricación de los dispositivos se realizó en una sala limpia utilizando varias técnicas, como la litografía por haz de electrones, la litografía óptica, el grabado con plasma, etc. Además, ocasionalmente hemos utilizado otras técnicas, como la microscopía de fuerza magnética y/o de fuerza atómica.

Los trabajos comenzaron en octubre de 2020, justo al inicio de una serie de restricciones COVID que limitaron el acceso a los laboratorios. Esta fue una gran barrera durante el primer año de esta tesis, particularmente al ser una tesis mayoritariamente experimental. A pesar de los problemas, los principales objetivos iniciales de esta tesis se han logrado. Los principales resultados se publicaron en Journal of Applied Physics y el trabajo se convirtió en un artículo editorial destacado excesivo.