journal article·2024-08Open access

Impact of annealing on perpendicular magnetic anisotropy in W/MgAl2O4/CoFeMnSi/W/CoFeMnSi/MgAl2O4/W double storage layers for upcoming MTJs

L. Saravanan, Nanhe Kumar Gupta, Vireshwar Mishra, Carlos Garcia, Sujeet Chaudhary

Abstract

In this study, we achieved the improvement of uniaxial perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in the W/MgAl2O4/CoFeMnSi/W/CoFeMnSi/MgAl2O4/W heterostructure by manipulating the annealing temperature (TA) [350 C, 450 C, and 550 C]. We observed a maximum effective PMA energy density (Keff) of = 1.604 x 106 erg/cc with low saturation magnetization (Ms) at the specified TA. The enhancement of Keff with Ms is significantly influenced by structural variations at the interfaces of CoFeMnSi and MgAl2O4, attributed to sufficient interfacial oxidation dependent on the TA. The TA was identified as a critical factor affecting the surface morphology, grain size, and surface roughness of the multilayer. Fourier-transform infrared (FT-IR) measurements were employed to confirm the presence of Co-O or Fe-O bond in the multilayer structures, elucidating the true origin of PMA. The control of interfacial oxidation at the interface during annealing is crucial for regulating the strength of PMA. Therefore, this double CoFeMnSi/MgAl2O4-based multilayer presents a promising avenue, serving as a favorable candidate for future p-MTJs-based spintronic devices with enhanced thermal stability.
Source: openaire · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Magnetic properties of thin films · ZnO doping and properties · Magnetic Properties and Synthesis of Ferrites

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

References (79)

Show source-provided references
1. Kryder · IEEE Trans. Magn. · 2009 · 45 · 340610.1109/TMAG.2009.2024163 ↗
2. Zhao · Microelectron. Reliab. · 2012 · 52 · 184810.1016/j.microrel.2012.06.035 ↗
3. Wang · J. Phys. d: Appl. Phys. · 2015 · 48
4. Compact model of a three-terminal MRAM device based on Spin-Orbit Torque switching
5. Manchon · Phys. Rev. B · 2009 · 79
6. Finley · Phys. Rev. Appl. · 2016 · 610.1103/PhysRevApplied.6.054001 ↗
7. Miron · Nature · 2011 · 476 · 18910.1038/nature10309 ↗
8. Chen · Appl. Phys. Lett. · 2017 · 111
9. Sinova · Rev. Mod. Phys. · 2015 · 87 · 121310.1103/RevModPhys.87.1213 ↗
10. Cubukcu · Appl. Phys. Lett. · 2014 · 10410.1063/1.4863407 ↗
11. Liu · Phys. Rev. Lett. · 2012 · 109
12. Mihajlovíc · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 10910.1063/1.4967318 ↗
13. Wang · IEEE Electron Device Letters · 2018 · 39 · 34310.1109/LED.2018.2795039 ↗
14. Cubukcu · IEEE Trans. Magn. · 2018 · 54 · 930020410.1109/TMAG.2017.2772185 ↗
15. Nozaki · NPG Asia Mater. · 2022 · 14 · 510.1038/s41427-021-00350-8 ↗
16. Ikeda · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 72110.1038/nmat2804 ↗
17. Dieny · Rev. Mod. Phys. · 2017 · 8910.1103/RevModPhys.89.025008 ↗
18. Amiri · IEEE Trans. Magn. · 2015 · 51 · 3401507
19. Nozaki · Micromachines. · 2019 · 10 · 32710.3390/mi10050327 ↗
20. Ikeda · Spin · 2012 · 02 · 124000310.1142/S2010324712400036 ↗
21. Worledge · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 9810.1063/1.3536482 ↗
22. Pai · Appl. Phys. Lett. · 2014 · 104
23. Sinha · Appl. Phys. Lett. · 2013 · 10210.1063/1.4811269 ↗
24. Xiang · Appl. Phys. Exp. · 2018 · 11
25. Sato · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 101
26. Kubota · J. Appl. Phys. · 2012 · 111 · 07C72310.1063/1.3679393 ↗
27. Nozaki · NPG Asia Mater. · 2017 · 9 · e45110.1038/am.2017.204 ↗
28. Nozaki · APL Mater. · 2018 · 610.1063/1.5018162 ↗
29. Zhang · Adv. Electron. Mater. · 2015 · 1 · 140005410.1002/aelm.201400054 ↗
30. He · Phys. Rev. Appl. · 2018 · 10
31. Yamamoto · Acta. Mater. · 2021 · 21610.1016/j.actamat.2021.117097 ↗
32. Kim · Sci. Rep. · 2015 · 5 · 1690310.1038/srep16903 ↗
33. Miura · IEEE Trans. Magn. · 2019 · 55 · 3401004
34. Liu · J. Magn. Magn. Mater. · 2016 · 410 · 12310.1016/j.jmmm.2016.02.099 ↗
35. Cheng · Adv. Electron. Mater. · 2020 · 6 · 200027110.1002/aelm.202000271 ↗
36. Yamamoto · J. Phys. d: Appl. Phys. · 2022 · 5510.1088/1361-6463/ac6634 ↗
37. Pai · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 10110.1063/1.4753947 ↗
38. Hao · Phys. Rev. Applied · 2015 · 3
39. Chatterjee · Appl. Phys. Lett. · 2017 · 11010.1063/1.4983159 ↗
40. Lihama · Phys. Rev. B · 2014 · 89
41. Bainsla · Phys. Rev. b. · 2017 · 9610.1103/PhysRevB.96.094404 ↗
42. Zhang · Nanoscale Res. Lett. · 2018 · 13 · 22210.1186/s11671-018-2628-9 ↗
43. Picozzi · Phys. Rev. b. · 2004 · 6910.1103/PhysRevB.69.094423 ↗
44. Bainsla · J. Alloys Compd. · 2015 · 651 · 50910.1016/j.jallcom.2015.08.131 ↗
45. Bainsla · Appl. Phys. Rev. · 2016 · 310.1063/1.4959093 ↗
46. Saravanan · J. Magn. Magn. Mater. · 2022 · 56110.1016/j.jmmm.2022.169693 ↗
47. Saravanan · J. Magn. Magn. Mater. · 2022 · 56310.1016/j.jmmm.2022.169926 ↗
48. Brataas · Nat. Mater. · 2012 · 11 · 37210.1038/nmat3311 ↗
49. Sukegawa · Appl. Phys. Lett. · 2010 · 96
50. F.Y. Yang
51. Gordillo · Appl. Surf. Sci. · 2014 · 316 · 110.1016/j.apsusc.2014.07.061 ↗
52. Vink · J. Appl. Phys. · 1993 · 74 · 98810.1063/1.354842 ↗
53. Yuan · J. Appl. Phys. · 2012 · 111 · 07C11110.1063/1.3673408 ↗
54. Saravanan · J. Mater Sci: Mater Electron · 2018 · 29 · 336
55. Chen · Adv. Mater. · 2012 · 24 · 351510.1002/adma.201201595 ↗
56. Yu · IEEE Trans. Magn. · 2014 · 50 · 2600104
57. L. Saravanan, I. Phebe Kokila, M. Manivel Raja, D. Prabhu, and H. A. Therese, J. Supercond. 32 (2019) 1967.10.1007/s10948-018-4898-y ↗
58. L. Saravanan, M. Manivel Raja, D. Prabhu, H.A. Therese, Phys. Status. Solidi A. 215 (2018) 1800316.10.1002/pssa.201800316 ↗
59. Li · Appl. Phys. Express. · 2011 · 4
60. Johnson · Rep. Prog. Phys. · 1996 · 59 · 140910.1088/0034-4885/59/11/002 ↗
61. Kaidatzis · Appl. Phys. Lett. · 2015 · 10610.1063/1.4923272 ↗
62. Ngo · J. Magn. Magn. Mater. · 2014 · 350 · 4210.1016/j.jmmm.2013.08.063 ↗
63. Gabor · Phys. Rev. B · 2011 · 8410.1103/PhysRevB.84.134413 ↗
64. Metaxas · Phys. Rev. Lett. · 2007 · 9910.1103/PhysRevLett.99.217208 ↗
65. Yamanouchi · Lett. · 2011 · 2 · 3000304
66. Ji · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92
67. Sbiaa · Phys. Stat. Sol. (RRL) · 2011 · 5 · 41310.1002/pssr.201105420 ↗
68. Brombacher · Nanotechnology · 2012 · 2310.1088/0957-4484/23/2/025301 ↗
69. Santis · Phys. Rev. B · 2002 · 6610.1103/PhysRevB.66.085412 ↗
70. Sheng · Chin. Phys. B · 2013 · 22
71. Jiang · J. Magn. Magn. Mater. · 2020 · 50510.1016/j.jmmm.2020.166709 ↗
72. Sun · AIP Adv. · 2016 · 6
73. Yang · Phys. Rev. B · 2011 · 84
74. Tsai · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 10010.1063/1.4707380 ↗
75. Tang · Thermochimica Acta · 2008 · 473 · 6810.1016/j.tca.2008.04.015 ↗
76. Liu · Soils Sediments · 2012 · 12 · 72410.1007/s11368-012-0506-0 ↗
77. Lacour · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 9010.1063/1.2734378 ↗
78. Schellekens · Appl. Phys. Lett. · 2013 · 102
79. Kopani · Appl. Surf. Sci. · 2013 · 269 · 10610.1016/j.apsusc.2012.09.081 ↗