Recent studies have shown that material structures, which lack structural inversion symmetry and have high spin-orbit coupling can exhibit chiral magnetic textures and skyrmions which could be a key component for next generation storage devices. The Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI) that stabilizes skyrmions is an anti-symmetric exchange interaction favoring non-collinear orientation of neighboring spins. It has been shown that materials systems with high DMI can lead to very efficient domain wall and skyrmion motion by spin-orbit torques. To engineer such devices, it is important to quantify the DMI for a given material system. Here, we extract the DMI at the Heavy Metal/Ferromagnet interface using two complementary measurement schemes, namely, asymmetric domain wall motion and the magnetic stripe annihilation. By using the two different measurement schemes, we find for W(5 nm)/Co20Fe60B20(0.6 nm)/MgO(2 nm) the DMI to be 0.68 ± 0.05 mJ/m2 and 0.73 ± 0.5 mJ/m2, respectively. Furthermore, we show that this DMI stabilizes skyrmions at room temperature and that there is a strong dependence of the DMI on the relative composition of the CoFeB alloy. Finally, we optimize the layers and the interfaces using different growth conditions and demonstrate that a higher deposition rate leads to a more uniform film with reduced pinning and skyrmions that can be manipulated by spin orbit torques.

1.
M.
Cubukcu
,
O.
Boulle
,
M.
Drouard
,
K.
Garello
,
C. O.
Avci
,
I. M.
Miron
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
P.
Gambardella
, and
G.
Gaudin
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
42406
(
2014
).
2.
Y.
Kim
,
X.
Fong
,
K.
Kwon
,
M.
Chen
, and
K.
Roy
,
IEEE Trans. Electron Devices
62
,
561
(
2015
).
3.
K.
Garello
,
C. O.
Avci
,
I. M.
Miron
,
M.
Baumgartner
,
A.
Ghosh
,
S.
Auffret
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
212402
(
2014
).
4.
R. L.
Stamps
,
S.
Breitkreutz
,
J.
Åkerman
,
A. V.
Chumak
,
Y.
Otani
,
G. E. W.
Bauer
,
J.-U.
Thiele
,
M.
Bowen
,
S. A.
Majetich
,
M.
Kläui
,
I. L.
Prejbeanu
,
B.
Dieny
,
N. M.
Dempsey
, and
B.
Hillebrands
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
333001
(
2014
).
5.
F.
Hellman
,
A.
Hoffmann
,
Y.
Tserkovnyak
,
G. S. D.
Beach
,
E. E.
Fullerton
,
C.
Leighton
,
A. H.
Macdonald
,
D. C.
Ralph
,
D. A.
Arena
,
H. A.
Dürr
,
P.
Fischer
, and
J.
Grollier
,
Rev. Mod. Phys.
89
,
25006
(
2017
).
6.
S.
Emori
,
T.
Nan
,
A. M.
Belkessam
,
X.
Wang
,
A. D.
Matyushov
,
C. J.
Babroski
,
Y.
Gao
,
H.
Lin
, and
N. X.
Sun
,
Phys. Rev. B
93
,
180402R
(
2016
).
7.
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
A. J.
Kellock
,
S.
Fukami
,
M.
Yamanouchi
,
H.
Sato
,
S.
Ikeda
,
S.
Mitani
,
S.
Yang
,
S. S. P.
Parkin
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
242405
(
2013
).
8.
C.
Pai
,
M.
Nguyen
,
C.
Belvin
,
L. H.
Vilela-Leão
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
82407
(
2014
).
9.
A.
Fert
,
V.
Cros
, and
J.
Sampaio
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
152
(
2013
).
10.
A.
Crépieux
and
C.
Lacroix
,
J. Magn. Magn. Mater.
182
,
341
(
1998
).
11.
I.
Dzyaloshinsky
,
J Phys. Chem. Solids
4
,
241
(
1958
).
13.
M.
Uchida
,
Y.
Onose
,
Y.
Matsui
, and
Y.
Tokura
,
Science
311
,
359
(
2006
).
14.
U. K.
Rößler
,
A. N.
Bogdanov
, and
C.
Pfleiderer
,
Nature
442
,
797
(
2006
).
15.
S.
Mühlbauer
,
B.
Binz
,
C.
Pfleiderer
,
A.
Rosch
,
A.
Neubauer
, and
R.
Georgii
,
Science
323
,
915
(
2009
).
16.
G.
Finocchio
,
F.
Büttner
,
R.
Tomasello
,
M.
Carpentieri
, and
M.
Kläui
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
49
,
423001
(
2016
).
17.
O.
Boulle
,
J.
Vogel
,
H.
Yang
,
S.
Pizzini
,
D.de S.
Chaves
,
A.
Locatelli
,
T. O.
Menteş
,
A.
Sala
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
O.
Klein
,
M.
Belmeguenai
,
Y.
Roussigné
,
A.
Stashkevich
,
S. M.
Chérif
,
L.
Aballe
,
M.
Foerster
,
M.
Chshiev
,
S.
Auffret
,
I. M.
Miron
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
449
(
2016
).
18.
W.
Jiang
,
P.
Upadhyaya
,
W.
Zhang
,
G.
Yu
,
M. B.
Jungfleisch
,
F. Y.
Fradin
,
J. E.
Pearson
,
Y.
Tserkovnyak
,
K. L.
Wang
,
O.
Heinonen
,
S. G. E.
Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Science
349
,
283
(
2015
).
19.
C.
Moreau-Luchaire
,
C.
Moutafis
,
N.
Reyren
,
J.
Sampaio
,
C. A. F.
Vaz
,
N.
Van Horne
,
K.
Bouzehouane
,
K.
Garcia
,
C.
Deranlot
,
P.
Warnicke
,
P.
Wohlhüter
,
J.-M.
George
,
M.
Weigand
,
J.
Raabe
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
444
(
2016
).
20.
S.
Woo
,
K.
Litzius
,
B.
Krüger
,
M.-Y.
Im
,
L.
Caretta
,
K.
Richter
,
M.
Mann
,
A.
Krone
,
R. M.
Reeve
,
M.
Weigand
,
P.
Agrawal
,
I.
Lemesh
,
M.-A.
Mawass
,
P.
Fischer
,
M.
Kläui
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
15
,
501
(
2016
).
21.
K.
Litzius
,
I.
Lemesh
,
B.
Krüger
,
P.
Bassirian
,
L.
Caretta
,
K.
Richter
,
F.
Büttner
,
J.
Förster
,
R. M.
Reeve
,
M.
Weigand
,
I.
Bykova
,
H.
Stoll
,
G.
Schütz
,
G. S. D.
Beach
, and
M.
Kläui
,
Nat. Phys.
13
,
170
(
2016
).
22.
J.
Sampaio
,
V.
Cros
,
S.
Rohart
,
A.
Thiaville
, and
A.
Fert
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
839
(
2013
).
23.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Li
,
W.
Li
,
S. K.
Kim
,
Y.
Fan
,
K. L.
Wong
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
16
,
1981
(
2016
).
24.
25.
J.
Iwasaki
,
M.
Mochizuki
, and
N.
Nagaosa
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
742
(
2013
).
26.
F.
Jonietz
,
S.
Mülbauer
,
C.
Pfleiderer
,
A.
Neubauer
,
W.
Münzer
,
A.
Bauer
,
T.
Adams
,
R.
Georgii
,
P.
Böni
,
R. A.
Duine
,
K.
Everschor
,
M.
Garst
, and
A.
Rosch
,
Science
330
,
1648
(
2010
).
27.
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S.
Ahn
,
E.
Martinez
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
12
,
611
(
2013
).
28.
A.
Thiaville
,
S.
Rohart
,
É.
Jué
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Europhys. Lett.
100
,
57002
(
2012
).
29.
P. J.
Metaxas
,
J. P.
Jamet
,
A.
Mougin
,
M.
Cormier
,
J.
Ferré
,
V.
Baltz
,
B.
Rodmacq
,
B.
Dieny
, and
R. L.
Stamps
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
217208
(
2007
).
30.
J.
Torrejon
,
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
S.
Mitani
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
, and
H.
Ohno
,
Nat. Commun.
5
,
4655
(
2014
).
31.
A.
Hrabec
,
N. A.
Porter
,
A.
Wells
,
M. J.
Benitez
,
G.
Burnell
,
S.
McVitie
,
D.
McGrouther
,
T. A.
Moore
, and
C. H.
Marrows
,
Phys. Rev. B
90
,
20402
(
2014
).
32.
S.-G.
Je
,
D.-H.
Kim
,
S.-C.
Yoo
,
B.-C.
Min
,
K.-J.
Lee
, and
S.-B.
Choe
,
Phys. Rev. B
88
,
214401
(
2013
).
33.
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
,
S.
Rohart
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
E.
Jué
,
O.
Boulle
,
I. M.
Miron
,
C. K.
Safeer
,
S.
Auffret
,
G.
Gaudin
, and
A.
Thiaville
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
47203
(
2014
).
34.
S.
Mukherjee
,
R.
Knut
,
S. M.
Mohseni
,
T. N.
Anh Nguyen
,
S.
Chung
,
Q.
Tuan Le
,
J.
Åkerman
,
J.
Persson
,
A.
Sahoo
,
A.
Hazarika
,
B.
Pal
,
S.
Thiess
,
M.
Gorgoi
,
P. S.
Anil Kumar
,
W.
Drube
,
O.
Karis
, and
D. D.
Sarma
,
Phys. Rev. B
91
,
085311
(
2015
).
35.
A. T.
Hindmarch
,
V.
Harnchana
,
A. S.
Walton
,
A. P.
Brown
,
R. M. D.
Brydson
, and
C. H.
Marrows
,
Appl. Phys. Express
4
,
13002
(
2011
).
36.
R.
Lo Conte
,
E.
Martinez
,
A.
Hrabec
,
A.
Lamperti
,
T.
Schulz
,
L.
Nasi
,
L.
Lazzarini
,
R.
Mantovan
,
F.
Maccherozzi
,
S. S.
Dhesi
,
B.
Ocker
,
C. H.
Marrows
,
T. A.
Moore
, and
M.
Kläui
,
Phys. Rev. B
91
,
14433
(
2015
).
37.
H.
Adachi
,
T.
Hata
,
T.
Matsushima
,
T.
Motohiro
, and
T.
Kikuo
,
Handbook of Sputter Deposition Technology: Fundamentals and Applications for Functional Thin Films, Nanomaterials, and MEMS
, 2nd ed. (
Elsevier
,
2012
).
38.
R. A.
Khan
,
P. M.
Shepley
,
A.
Hrabec
,
A. W. J.
Wells
,
B.
Ocker
,
C. H.
Marrows
, and
T. A.
Moore
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
132404
(
2016
).
39.
R.
Soucaille
,
M.
Belmeguenai
,
J.
Torrejon
,
J. V.
Kim
,
T.
Devolder
,
Y.
Roussigne
,
S. M.
Cherif
,
A. A.
Stashkevich
,
M.
Hayashi
, and
J.-P.
Adam
,
Phys. Rev. B
94
,
104431
(
2016
).
40.
I.
Lemesh
,
F.
Büttner
, and
G. S. D.
Beach
,
Phys. Rev. B
95
,
174423
(
2017
).
You do not currently have access to this content.