[금지훈 학생/Kaixuan Zhang 박사/박제근 교수] 자성 반데르발스 Fe3GeTe2/산화물 최초 스핀 소자개발 (Advanced Materials 논문 게재)
Novel magnetic-field-free switching behavior in vdW-magnet/oxide heterostructure
외부 자기장 없이 전류만으로 구동되는 수직 자화 스위칭은 차세대 메모리 장치 개발에서 매우 중요한 역할을 한다. 이에 따라 전류 기반 수직 자화의 제어가 가능한 다양한 시스템에 대한 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 외부 자기장이 없어도 전류를 통해 수직 자화 조절이 가능한 새로운 물질 플랫폼(Fe3GeTe2/SrTiO3 이종접합 구조)를 제시하였다. 자성 반데르발스(van der Waals) 물질의 일종인 Fe3GeTe2와 산화물 SrTiO3의 계면을 이용하여 제작된 디바이스에서 Fe3GeTe2의 이상 홀 효과(Anomalous Hall effect)에 의한 전압이 전류를 흘려 줌에 따라 변화함을 관찰했다. 또한, 큰 전류를 흘려주는 동안 이상 홀 효과 이력곡선(hysteresis)의 분리현상과 스위칭의 극성변화가 외부 자기장에 의해서 조절됨을 관찰했다. 이러한 결과들을 통해 Ar 플라즈마를 처리한 SrTiO3계면의 평면 방향의 자화가 스핀(Spin)의 세차운동을 유도하여 수직방향의 스핀 극성(Polarization)이 만들어지는 메커니즘을 제시하였다. 이번 연구는 차세대 자성 메모리 및 스핀 소자 개발에 새로운 물질 플랫폼을 제공함으로써, 스핀트로닉스(Spintronics) 소자의 산업응용에 크게 기여할 것으로 기대된다.
Abstract: Magnetization switching by charge current without a magnetic field is essential for device applications and information technology. It generally requires a current-induced out-of-plane spin polarization beyond the capability of conventional ferromagnet/heavy-metal systems, where the current-induced spin polarization aligns in-plane orthogonal to the in-plane charge current and out-of-plane spin current. Here, we demonstrate a new approach for magnetic-field-free switching by fabricating a van-der-Waals magnet and oxide Fe3GeTe2/SrTiO3 heterostructure. This new magnetic-field-free switching is possible because the current-driven accumulated spins at the Rashba interface precess around an emergent interface magnetism, eventually producing an ultimate out-of-plane spin polarization. This interpretation is further confirmed by the switching polarity change controlled by the in-plane initialization magnetic fields with clear hysteresis. We successfully combined van-der-Waals magnet and oxide for the first time, especially taking advantage of spin-orbit torque on the SrTiO3 oxide. This allows us to establish a new way of magnetic field-free switching. Our work demonstrates an unusual perpendicular switching application of large spin Hall angle materials and precession of accumulated spins, and in doing so, opens up a new field and opportunities for van-der-Waals magnets and oxide spintronics.
참여연구원: 금지훈, Kai-Xuan Zhang, 김현철, Jingyuan Cui, 박기웅, 박제근