Crystallographic dependence of spin orbit torques in epitaxial thin films

Abstract

Spintronics is an emerging field in nanoelectronics, utilizing the spin of electrons for data storage and manipulation. In this thesis, the characterization of spin-orbit torques (SOTs) generated by spin currents from the spin Hall effect (SHE) in heavy metals is presented, with a focus on Pt and the non-collinear antiferromagnet Mn3Pt. In Pt, three crystallographic orientations - (111), (110), and (001) - were studied using optically detected ferromagnetic resonance (OFMR) and spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR), with comparisons made to DC bias technique. In Mn3Pt, the role of exchange bias was examined along (111) and (001) by inserting Cu between Mn3Pt and Permalloy (Py). Damping-like and field-like torques were observed, due to different spin polarization in Mn3Pt. Finally, field-dependent switching of ferromagnets with perpendicular anisotropy through Mn3Pt SOT was demonstrated.

Spintronik ist ein aufstrebendes Feld der Nanoelektronik, das den Spin von Elektronen zur Datenspeicherung und -verarbeitung nutzt. In dieser Arbeit wird die Charakterisierung von Spin-Orbit-Drehmomenten (SOTs) vorgestellt, die von aufgrund des Spin-Hall-Effekts erzeugten Spinströmen in Schwermetallen verursacht werden, mit einem Fokus auf Pt und den nicht-kollinearen Antiferromagneten Mn3Pt. In Pt wurden drei kristallographische Orientierungen - (111), (110) und (001) - mit optisch detektierter ferromagnetischer Resonanz und Spin-Torque-ferromagnetischer Resonanz untersucht, wobei Vergleiche zur DC-Bias-Technik angestellt wurden. In Mn3Pt wurde die Rolle des Austauschbias entlang (111) und (001) durch Einfügen von Cu zwischen Mn3Pt und Permalloy untersucht. Dämpfungsartige und feldartige Drehmomente wurden aufgrund unterschiedlicher Spinpolarisation in Mn3Pt beobachtet. Schließlich wurde das feldabhängige Umschalten von Ferromagneten mit senkrechter Anisotropie durch Mn3Pt-SOT demonstriert.