Influence of hydrogen on the magnetic properties of ultrathin cobalt films in contact with electrolyte
Influence de l'hydrogène sur les propriétés magnétiques de films ultraminces de cobalt en contact avec un électrolyte
Résumé
Magnetic materials have been investigated for decades because of their applications from sensors to memory and data storage devices. Following the modern trend of the downsizing of electronic devices, lowering the energy consumption of the device becomes the main challenge. In this context, controlled manipulation of magnetic properties of a given ferromagnetic material (FM) is crucial to designing low energy consumption magnetic memory devices. Among various methods, voltage control of magnetism (VCM) has been studied mostly in solid-state devices. However, these devices suffer from the inhomogeneity of the dielectric layer which may result in leakage current or dielectric breakdown. In a few studies, VCM was investigated using the electrochemical interface offering several advantages as large (1V/nm) and spatially homogeneous electric field. In addition, the electrochemical interface offers the possibility to induce potential controlled chemical reactions which may result in modifying the magnetic properties.In this work, we investigate the influence of hydrogen evolution reaction (HER) on the ferromagnetic thin Co layer (0.5~1nm) in contact with the electrolyte. The ferromagnetic Co layer is prepared either by electrodeposition or by sputtering on Pt buffer layers. The thickness of the Co layer is optimized to have perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in the electrolyte after adsorbing CO on the Co surface. Magnetic properties of Co layer in contact with the electrolyte are characterized using the polar magneto-optical Kerr effect (PMOKE) using a standard PMOKE setup or a MOKE microscopy setup both operated in-situ. HER pulses are systematically applied to study irreversible magnetic property variations. HER pulses induce the decrease of the coercive field (Hc), the saturation magnetization (Ms), the slope of the electric field effect (Γ), and the sample optical reflectivity. Similar experiments were also done on bare Pt to identify the substrate contribution. The Co magnetic property variations upon HER pulses are also investigated as a function of the Co thickness. Using MOKE microscopy, we show that magnetic domain wall (MDW) propagation velocity depends on the applied potential. The effect of HER pulses is that MDW velocity increases continuously indicating the reduction of the PMA. In the same time, magnetic domain nucleation density decreases with increasing number of HER pulses. This may imply an alleviation of defect distribution of the Co layer. The changes of the Co magnetic properties are discussed in light of the insertion of H in the Pt layer and its presence at the Pt/Co interface.
Les matériaux magnétiques ont été étudiés pendant des décennies en raison de leurs applications allant des capteurs aux mémoires et dispositifs de stockage de données. La réduction de la consommation énergétique des dispositifs devient le principal défi depuis quelques années. Dans ce contexte, la manipulation contrôlée des propriétés magnétiques d'un matériau ferromagnétique (FM) donné est cruciale pour concevoir des mémoires magnétiques peu gourmands en énergie. Parmi diverses méthodes, le contrôle du magnétisme par l’application d’un champ électrique (VCM) a été étudié principalement dans les dispositifs tout solides. Cependant, ces dispositifs souffrent de l'inhomogénéité de la couche diélectrique qui peut entraîner un courant de fuite ou un claquage diélectrique. Dans quelques études, le VCM a été étudié en utilisant l'interface électrochimique offrant plusieurs avantages comme un champ électrique important (1V/nm) et spatialement homogène. De plus, l'interface électrochimique offre la possibilité d'induire des réactions chimiques contrôlées par le potentiel appliqué pouvant entraîner une modification des propriétés magnétiques.Dans ce travail, nous étudions l'influence de la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) sur des couches ultraminces ferromagnétiques de Co (0,5 ~ 1 nm) en contact avec un électrolyte. La couche ferromagnétique de Co est préparée soit par dépôt électrochimique, soit par pulvérisation cathodique sur des couches tampons de Pt. L'épaisseur de la couche de Co est optimisée pour avoir une anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) dans l'électrolyte après adsorption du CO sur la surface du Co. Les propriétés magnétiques de la couche de Co en contact avec l'électrolyte sont caractérisées par effet Kerr magnéto-optique polaire (PMOKE) en utilisant une configuration PMOKE standard ou une configuration de microscopie MOKE, toutes deux opérées in situ. Des impulsions HER sont systématiquement appliquées pour étudier les variations irréversibles des propriétés magnétiques. Les impulsions HER induisent la diminution du champ coercitif (Hc), de l'aimantation à saturation (Ms), de la pente de l'effet du champ électrique (Γ) et de la réflectivité optique de l'échantillon. Des expériences similaires ont également été réalisées sur du Pt nu pour identifier la contribution du substrat. Les variations des propriétés magnétiques du Co en fonction des impulsions HER sont également étudiées en fonction de l'épaisseur du Co. En utilisant la microscopie MOKE, nous montrons que la vitesse de propagation des parois de domaine magnétique (MDW) dépend du potentiel appliqué. Les impulsions HER induisent une augmentation continue de la vitesse du MDW indiquant la réduction du PMA. Dans le même temps, la densité de nucléation des domaines magnétiques diminue avec l'augmentation du nombre d'impulsions HER. Cela peut impliquer une atténuation de la distribution des défauts de la couche de Co. Les changements des propriétés magnétiques du Co sont discutés à la lumière de l'insertion de H dans la couche de Pt et de sa présence à l'interface Pt/Co.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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