Magnetic interfacial effect in Graphene＼IrMn3＼Co heterostructures

Abstract

This study aims to explore the interplay of interfacial effects in the Gr＼IrMn3＼Co heterostructure by examining the spin transport behavior across the interfaces of Gr and Co with the noncollinear antiferromagnet IrMn3. To investigate the spin current passing through the IrMn3 film, a 2.5 nm thick Co film was utilized for detecting the spin current passing through the IrMn3 film. We specially prepared the IrMn3 films using co-evaporating technique in the Ultra-High Vacuum Molecular Beam Epitaxy (UHV-MBE) chamber. This involved the simultaneous evaporation of Ir and Mn, with close monitoring and control of their deposition rates. The process was conducted at a temperature of 100 °C to ensure the precise fabrication of the ultrathin IrMn3 films with a thickness of 1.2 nm or 1.5 nm while maintaining their crystalline structure. The quality of the films was confirmed through XRD and HR-TEM, showing well-crystalized structures. XRR and AFM analysis examined the morphology of different interfaces. To investigate the magnetic properties of the heterostructures, SQUID measurements were performed at various temperatures (6 K, 20 K, 77 K, and 300 K) under ± 80 kOe. Remarkably, a significant spin Hall magnetoresistance (SMR) of 0.2 % was exclusively observed by 4-probe measurement in the application of the out-of-plane external magnetic fields ranging from -8 to +8 kG. Meanwhile, no SMR effect was observed at room temperature or under in-plane magnetic fields. The observed SMR effect in our study distinguishes itself from typical SMR phenomena reported in previous studies. This finding suggests that the noncollinear antiferromagnetic IrMn3 layer, grown on monolayer graphene (Gr), may play a critical role in this phenomenon. The combination of rigorous characterization techniques and comprehensive magneto transport measurements allows us to elucidate the unique spin transport properties in our heterostructures and highlights the potential of noncollinear antiferromagnets in spintronic applications.;이 연구의 목적은 비공선형 반강자성체 IrMn3과 Gr 및 Co의 인터페이스에서 스핀 전달 거동을 조사하여 Gr＼IrMn3＼Co 이종 구조에서 계면 효과의 상호작용을 탐구하는 것입니다. IrMn3 막을 통과하는 스핀 전류를 조사하기 위해 IrMn3 막을 통과하는 스핀 전류를 검출하기 위해 2.5 nm 두께의 Co 막이 사용되었습니다. 우리는 UHV-MBE (Ultra-High Vacuum Molecular Beam Epitaxy) 챔버에서 공동 증발 기술을 사용하여 특별히 IrMn3 필름을 준비했습니다. 여기에는 증착 속도를 면밀히 모니터링하고 제어하면서 Ir 및 Mn의 동시 증발이 포함됩니다. 이 공정은 결정 구조를 유지하면서 1.2nm 또는 1.5nm 두께의 초박형 IrMn3 막의 정확한 제조를 보장하기 위해 100°C의 온도에서 수행되었습니다. 필름의 품질은 XRD와 HR-TEM을 통해 확인되었으며 잘 결정화된 구조를 보였다. XRR 및 AFM 분석은 서로 다른 인터페이스의 형태를 조사했습니다. 헤테로 구조의 자기 특성을 조사하기 위해 SQUID 측정을 ± 80 kOe에서 다양한 온도(6 K, 20 K, 77 K, 및 300 K)에서 수행했습니다. 놀랍게도, 0.2%의 상당한 스핀 홀 자기 저항(SMR)이 -8에서 +8 kG 범위의 면외 외부 자기장 적용 시 4-프로브 측정에 의해 독점적으로 관찰되었습니다. 한편, 실온 또는 면내 자기장 하에서는 SMR 효과가 관찰되지 않았다. 우리 연구에서 관찰된 SMR 효과는 이전 연구에서 보고된 전형적인 SMR 현상과 구별됩니다. 이 발견은 단일층 그래핀(Gr)에서 성장한 비공선형 반강자성 IrMn3 층이 이 현상에서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 엄격한 특성화 기술과 포괄적인 자기 수송 측정의 조합을 통해 이종 구조의 고유한 스핀 수송 특성을 설명하고 스핀트로닉스 응용 분야에서 비공선형 반강자성체의 잠재력을 강조할 수 있습니다.