Magnetization Dynamics Induced by Spin and Orbital Torques in Magnetic Heterostructures for Advanced Spintronic Devices = 차세대 스핀트로닉 소자를 위한 자기 이종구조에서의 스핀 및 오비탈 토크 유도 자화 동역학

국문 초록 (Abstract)

전자 스핀의 고유 각운동량을 활용하는 스핀트로닉스는 차세대 정보 저장 및 처리 기술로서 저전력 소모와 고속 동작이라는 특장점을 갖추고 있어 주목받고 있다. 이 기술의 핵심은 자성 이종접합 구조 내에서 스핀–궤도 토크(spin–orbit torque, SOT)를 효율적으로 생성하고 제어하는 데 있으며, 이는 기존의 전하 기반 소자에서 벗어난 새로운 동작 원리를 제시한다. 일반적으로, 스핀–궤도 토크는 무거운 비자성 금속에서 발생하는 스핀 홀 효과(spin Hall effect, SHE)에 의해 유도되는 스핀 전류를 기반으로 설명되어 왔다. 그러나 최근 이론적·실험적 연구들은 계면 효과 및 전자의 궤도 각운동량이 토크 생성에 중대한 역할을 할 수 있음을 보여주며, 기존의 SHE 중심 모델을 확장하고 있다.
본 학위논문에서는 스핀–궤도 토크의 기원과 제어 가능성에 대한 심도 깊은 실험적 연구를 바탕으로, 기존 이론을 보완하고 새로운 설계 방향을 제시하는 세 가지 주요 현상을 다룬다.
첫째, Pd/Co 이종접합 구조에서 기존의 일반적인 시스템들과 달리, 계면 스핀–궤도 결합(interfacial spin–orbit coupling, ISOC)에 의해 유도되는 매우 큰 field-like torque (FLT)가 존재함을 실험적으로 확인하였다. 스핀–토크 공명(spin-torque ferromagnetic resonance, ST-FMR) 및 하모닉 홀 전압 측정을 통해, Pd/Co 계면에서 생성된 FLT는 Pd/CoFe나 Pd/Py 구조에 비해 20–40배 크며, damping-like torque (DLT)마저 초과하는 수준임을 입증하였다. 마이크로 자기 시뮬레이션 결과는 이러한 FLT가 자화 반전 속도를 현저히 향상시킬 수 있음을 보여주며, 고속 동작을 요구하는 차세대 스핀트로닉 소자 설계에서 계면 공학의 중요성을 강조한다.
둘째, 비자성 금속의 SOC 강도와 강자성층의 궤도–스핀 변환 효율을 체계적으로 조절함으로써, 궤도 홀 효과(orbital Hall effect, OHE)가 스핀–궤도 토크의 독립적이며 조절 가능한 원천이 될 수 있음을 실험적으로 규명하였다. 특히, Ni 기반 시스템에서는 높은 OAM 보존성과 변환 효율로 인해 토크의 부호 반전 및 크기 증가가 확인되었으며, 이는 궤도 토크(orbital torque, OT)가 스핀 토크보다 우세함을 시사한다. 나아가, Ti/Ni 계열 구조에 초박막 W 삽입을 통해 토크의 방향을 나노미터 수준에서 정밀하게 제어할 수 있음을 보였으며, 이는 SHE에 의존하지 않는 새로운 SOT 제어 경로를 제시한다. 이러한 결과는 제5장에서 SOC에 따른 OHE와 SHE 기여도 분포를 정량적으로 분석함으로써 뒷받침된다.
셋째, 스핀–궤도 토크에 의해 유도되는 고주파 자화 동역학을 페리자성 시스템으로 확장하였다. GdFeCo를 모델 물질로 하여, ST-FMR 측정을 통해 AuPt/GdFeCo 이종접합 구조에서 수직 입사형 스핀파(perpendicular standing spin wave, PSSW) 모드가 여기됨을 관측하였다. 특히, 항산화 기능을 갖는 Ta 캡핑층의 도입은 GdFeCo 계면의 자성 특성을 안정화시켜 고차 스핀파 모드(p = 3까지)의 지속적인 관측을 가능하게 하였다. 이는 캡핑층의 유무가 포화 자화, 교환 강성, 결정질 품질 등에 결정적인 영향을 미쳐 고주파 자성 여기 및 소자 동작 특성에 큰 변화를 일으킬 수 있음을 보여준다.
총체적으로, 본 연구는 계면 효과, 궤도 물리, 자성 감쇠 제어 등 다양한 물리적 요소들이 스핀–궤도 토크의 크기와 대칭성에 미치는 영향을 규명하며, 기존의 스핀 전류 중심 모델을 넘어선 새로운 물리적 기반을 제시한다. 이를 통해, 효율적이고 고속 동작이 가능한 스핀 기반 소자 설계를 위한 정밀한 물질 설계 및 제어 전략을 제시하며, 차세대 스핀트로닉 기술의 구현에 기여할 수 있는 실질적인 방향성을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Spin-based electronics (spintronics) leverages the intrinsic angular momentum of electrons to enable low-power and high-speed data storage and processing. A cornerstone of this technology is the efficient generation and manipulation of spin–orbit torques (SOTs) in magnetic heterostructures. Traditionally, SOTs have been attributed to spin currents generated via the spin Hall effect (SHE) in heavy nonmagnetic metals. However, recent theoretical and experimental advances have revealed that interfacial effects and orbital angular momentum (OAM) can also play a decisive role in torque generation, challenging the conventional SHE-dominant picture.
This dissertation investigates three distinct phenomena that challenge and expand the conventional framework of spin Hall-mediated torque generation. First, it demonstrates the emergence of exceptionally large field-like torque (FLT) in Pd/Co bilayers, enabled by strong interfacial spin–orbit coupling (ISOC). Comprehensive spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) and harmonic Hall measurements reveal that the FLT in Pd/Co not only exceeds that in comparable Pd/CoFe or Pd/Py systems but even surpasses the corresponding damping-like torque (DLT). Micromagnetic simulations further confirm that this large FLT significantly accelerates magnetization switching, underscoring the importance of interfacial engineering in high-speed spintronic applications.
Second, the dissertation presents a systematic investigation of the orbital Hall effect (OHE) as a novel and tunable source of SOT. By varying the SOC strength in nonmagnetic metals (W, Ti, Cr, Hf, Re) and the orbital-to-spin conversion efficiency in ferromagnets (FeB, CoFeB, Ni), this work disentangles the spin and orbital contributions to the net torque. Notably, Ni-based systems with high OAM retention and large conversion efficiency exhibit sign reversals and torque enhancement, indicating orbital torque (OT) dominance. The experimental findings, including the effect of ultrathin W insertions, show that the relative contributions of OHE and SHE can be modulated at sub-nanometer precision—offering a powerful route for designing energy-efficient and functionally adaptable spintronic devices. These insights are supported by detailed experimental validation in Chapter 5, which emphasizes the SOC dependence of the OHE-to-SHE torque balance.
Finally, the dissertation extends the study of SOT-induced dynamics to ferrimagnetic systems. Using GdFeCo as a model rare-earth/transition-metal ferrimagnet, the excitation of perpendicular standing spin wave (PSSW) modes is demonstrated via ST-FMR in AuPt/GdFeCo heterostructures. A key finding is that introducing an antioxidant Ta capping layer enables the observation of multiple higher-order spin wave modes by preserving the magnetic integrity of the FiM interface. This result highlights how interfacial and capping-layer conditions critically influence high-frequency magnetic excitations and, consequently, the performance of sub-THz spintronic and logic devices based on FiMs.
Collectively, this work provides a comprehensive framework for understanding and engineering spin–orbit torques through interfacial effects, orbital physics, and magnetic damping control. It establishes that beyond conventional spin-current-driven mechanisms, orbital contributions, interfacial hybridization, and material structure play critical roles in defining torque magnitude and symmetry. These findings offer new strategies for tailoring spintronic device performance in terms of efficiency, speed, and functional versatility.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Figures viii
• List of Tables xi
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Introduction and Motivation 1
• Chapter 2 Research Background 6
• 2.1 Magnetization Dynamics 6
• 2.1.1 Spin Orbit Torque Dynamics 9
• 2.2 Ferromagnetic Resonance 12
• 2.2.1 Spin Torque-Ferromagnetic Resonance 18
• 2.3 Magnetic Damping 22
• 2.3.1 Intrinsic Damping 23
• 2.3.2 Spin Pumping 27
• 2.3.3 Spin Memory Loss 31
• 2.3.4 Two Magnon Scattering 36
• 2.4 Spin Mixing Conductance 41
• 2.5 Spin Orbit Torque 44
• 2.5.1 Spin Hall Effect 46
• 2.5.2 Interfacial Rashba Edelstein Effect 49
• 2.5.3 Spin Orbit Coupling 52
• 2.5.4 Ratio Analysis 56
• 2.6 Orbital Hall Effect 59
• 2.7 Spin Wave 68
• 2.7.1 Perpendicular Standing Spin Wave 71
• Chapter 3 Research Method 73
• 3.1 Sample Growth using Sputter 73
• 3.2 Patterning Technology 76
• 3.3 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 80
• 3.4 ST-FMR Measurement 83
• Chapter 4 Exceptional Field-Like Spin-Orbit Torques in Pd/Co Heterostructures Enabled by Interfacial Spin-Orbit Coupling 86
• 4.1 Introduction 87
• 4.2 Experimental Section 90
• 4.3 Results and Discussion 92
• 4.3.1 The Analysis of ST-FMR 92
• 4.3.2 SOT Efficiency 95
• 4.3.3 Characterization of FLT in Pd/Co from Harmonic Hall Measurement 99
• 4.3.4 Characterization of Effective Magnetic Damping and Spin–Mixing Conductance 103
• 4.3.5 Micromagnetic Simulations on SOT-Driven Switching 108
• 4.4 Conclusion 112
• Chapter 5 Orbital Torque Engineering in Transition Metal/Ferromagnet Heterostructures: Disentangling Spin and Orbital Contributions via Material Design 113
• 5.1 Introduction 114
• 5.2 Experimental Section 117
• 5.3 Results and Discussion 119
• 5.3.1 Signatures of Orbital Torque Dominance in NM/FM Bilayers 119
• 5.3.2 ST-FMR Measurements 122
• 5.3.3 The Estimation of DLT Efficiencies 129
• 5.3.4 Material-dependent Interaction between OHE and SHE: Abnormal DTL sign in W, Ti, Cr, Hf and Re 131
• 5.3.5 Superior Orbital Torque Efficiency in Ni-Based Heterostructures: the Role of High CFM and Crystallinity 135
• 5.3.6 The Competition between Orbital and Spin Currents via Ultrathin W Insertion in Ti/Ni Bilayers 139
• 5.4 Conclusion 143
• 5.5 Supplementary 144
• 5.5.1 Torque Efficiencies in NM/FM Heterostructures 144
• 5.5.2 The Effective Damping Parameters in NM/FMs 147
• 5.5.3 Extraction of Effective Spin Mixing Conductance and Effective Transparency 149
• 5.5.4 ST-FMR Spectra in Various NM/FMs 153
• 5.5.5 2nd Harmonic Hall Measurements in Ti/Ni 155
• 5.5.6 The Analysis of XRD Data for W and Ni 159
• 5.6.7 The Analysis of TEM Ti/FM Crystallinity 162
• Chapter 6 Perpendicular Standing Spin Waves in AuPt/GdFeCo Induced by Spin-Orbit Torques: Central Role of Antioxidant Ta Barrier 164
• 6.1 Introduction 166
• 6.2 Sample Information 169
• 6.3 Measurements 171
• 6.4 Results and Discussion 173
• 6.4.1 Structural Analysis and Magnetic Characterization of GdFeCo Films with and without Ta 173
• 6.4.2 ST-FMR Analysis and Pinning Model of PSSW Modes in GdFeCo Films 180
• 6.5 Conclusion 194
• Chapter 7 Summary 195
• Publication List 197
• Abstract in Korean 199
• References 202