Ionenbestrahlungsinduzierte Kobalt/Kobaltoxid-Heterostrukturen: Drucken von 3D-Schnittstellen

Grenzflächen zwischen ferromagnetischen (FM) und nicht-ferromagnetischen Schichten bieten aufgrund von Spin-Bahn-Kopplung und Symmetriebrechung einzigartige Eigenschaften. Diese Effekte führen zu Effekten wie Austauschvorspannung, senkrechter magnetischer Anisotropie, Spinpumpen, Spintransferdrehmomenten und der Umwandlung von Ladungs- und Spinströmen und umgekehrt. Diese Grenzflächenphänomene spielen eine entscheidende Rolle in Anwendungen der magnetischen Datenspeicherung und -übertragung, die die Bildung von FM-Nanostrukturen in nicht-ferromagnetischen Matrizen erfordern. Hier untersuchen wir die Möglichkeit, solche Nanostrukturen durch Ionenbestrahlung zu erzeugen. Wir untersuchen den Einfluss lateraler Begrenzung auf die durch Ionenbestrahlung induzierte Reduktion nicht-magnetischer Metalloxide (z. B. antiferro- oder paramagnetisch) zu ferromagnetischen Metallen. Unsere Erkenntnisse werden später genutzt, um dreidimensionale magnetische Grenzflächen zwischen Co, CoO und Pt durch räumlich selektive Bestrahlung von CoO/Pt-Multischichten zu erzeugen. Wir zeigen, dass die mechanische Verschiebung von O-Atomen eine entscheidende Rolle bei der Reduktion von isolierenden, nichtferromagnetischen Kobaltoxiden zu metallischem Kobalt spielt. Metallisches Kobalt führt sowohl zu senkrechter magnetischer Anisotropie in den erzeugten Co/Pt-Nanostrukturen als auch bei niedrigen Temperaturen zu einer Austauschvorspannung an vertikalen Grenzflächen zwischen Co und CoO. Wenn dieser Ansatz die Grenzen der Ionenbestrahlungstechnologie ausreizt, könnte er prinzipiell die Erzeugung dicht gepackter, atomarer ferromagnetischer Punktkontakt-Spin-Drehmoment-Oszillatornetzwerke (STO) oder leitfähiger Kanäle für strombegrenzte, pfadbasierte, senkrecht zur Ebene liegende Riesenmagnetowiderstands-Leseköpfe ermöglichen.

1. “Ion-Irradiation-Induced Cobalt/Cobalt Oxide Heterostructures: Printing 3D Interfaces”, O. Yildrim, D. Hilliard, S.S.P. K. Arekapudi, C Fowley, H. Cansever, L. Koch, L. Ramasubramanian, S. Zhou, R. Böttger, J Lindner, J Fassbender, O. Hellwig, A. Deac, ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 9858 (2020).