Manipulation of Magnetization Dynamics in Ferromagnetic and Antiferromagnetic Heterostructures.
저자
발행사항
Ann Arbor : ProQuest Dissertations & Theses, 2021
학위수여대학
The Ohio State University Physics
수여연도
2021
작성언어
영어
주제어
학위
Ph.D.
페이지수
178 p.
지도교수/심사위원
Advisor: Yang, Fengyuan.
Spintronics is a vibrant research field that studies and utilizes the intrinsic spin properties of electrons in various materials. The dual states of spin (spin-up and spin-down) make it a natural candidate to represent the bit “0” or “1” in data storage and information processing. In the past two decades, a series of important discoveries in spintronics has been made in the labs and brought into the market. My research focus is to identify and investigate novel ferromagnetic and antiferromagnetic heterostructures that can be used to powerfully manipulate spins. This thesis is organized as follows: In Chapters 1 and 2, I briefly introduce the background knowledge in spintronics and the experimental as well as theoretical techniques that I use in my research. From Chapter 3 to 7, I present five research projects that I lead in my graduate study. In Chapter 3, we study a new nonlocal spin transport scheme. Compared with conventional nonlocal spin transport geometry where the spin current is generated through a ferromagnetic injector or spin Hall effect, in our scheme, spin current generation is through ferromagnetic resonance spin pumping in lateral Pt/Y3Fe5O12 heterostructures. This avoids the generation of high-energy thermal magnons through the spin Seebeck effect. We also observe a high spin current injection, which is more than 20 times larger than the local spin pumping in Pt/Y3Fe5O12, suggesting that the ultra-low damping bare Y3Fe5O12 is a much more efficient spin pumping source; In Chapter 4, we study the spin current transportation in Pt/NiO/Y3Fe5O12 trilayers through angular dependent ferromagnetic resonance spin pumping measurements. By systematically varying the temperatures and thicknesses of NiO, we observe spin current transport that is mediated by the antiferromagnetic NiO interlayer, which gives a non-sinusoidal angular dependence of inverse spin Hall voltage; In Chapter 5, we study current-induced Neel order switching in antiferromagnetic heterostructure Pt/α-Fe2O3. We demonstrate that the detected Hall resistance change is indeed due to the Neel order switching by carefully ruling out the thermal artifact from Pt. Our results point to a promising path toward controlling antiferromagnets using spin-orbit torque; In Chapter 6, we study the harmonic Hall response experimentally and theoretically in antiferromagnetic heterostructure Pt/α-Fe2O3. We build a theoretical model that proves the current-induced effects in antiferromagnetic heterostructures can be also detected by harmonic Hall technique like previously demonstrated in ferromagnetic heterostructures. Our experimental measurement is in excellent agreement with our modeling, which points out the important role played by the magnetoelastic effect and spin-orbit torque in current-induced switching of antiferromagnets; In Chapter 7, we make Hall measurements in antiferromagnetic heterostructure Pt/Cr2O3 bilayers and observe the high-temperature topological Hall effect. This indicates the nontrivial topological spin texture at Pt/Cr2O3 interface, which gives insights in searching skyrmions in antiferromagnets. The last chapter is a conclusion of the entire thesis.
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