Thin layers of ferromagnetic/non-magnetic bimetallic heterostructures have become the focal point of spintronics, primarily due to their capacity to convert spin to charge current, leveraging the spin- and inverse spin Hall effects. However, the interfacial properties and morphologies can significantly influence this conversion. Hence, we employed molecular dynamics calculations to model the construction of the Fe/Pt interface at various bilayer growth temperatures and Pt deposition rates. We then experimentally evaluated the modeling using x-ray methods to resolve the chemical and structural state of the interface. The calculations revealed moderate diffusive phenomena between the adjacent layers and an interfacial roughness of less than 1 nm, consistent with the experimental observations. In cases where plastic relaxation of the Fe/Pt interface is insufficient, lattice deformation is mitigated by a local pseudomorphic growth caused by transformation of the Pt crystal symmetry. Additionally, interfacial planar defects may emerge as a complementary stress-relieving mechanism to misfit dislocations. By combining the experimental and computational findings, we propose optimized growth conditions for an “ideal” Fe/Pt interface, which could serve as a useful tool to control the efficiency of spin-to-charge conversion.

1.
K.
Ando
,
S.
Takahashi
,
J.
Ieda
,
Y.
Kajiwara
,
H.
Nakayama
,
T.
Yoshino
,
K.
Harii
,
Y.
Fujikawa
,
M.
Matsuo
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
J. Appl. Phys.
109
,
103913
(
2011
).
2.
J.-C.
Rojas-Sánchez
,
N.
Reyren
,
P.
Laczkowski
,
W.
Savero
,
J.-P.
Attané
,
C.
Deranlot
,
M.
Jamet
,
J.-M.
George
,
L.
Vila
, and
H.
Jaffrès
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
106602
(
2014
).
3.
A.
Barman
and
J.
Sinha
,
Spin Dynamics and Damping in Ferromagnetic Thin Films and Nanostructures
(
Springer International Publishing
,
Cham
,
2018
).
4.
S.
Umesh
and
S.
Mittal
,
J. Syst. Archit.
97
,
349
372
(
2019
).
5.
A. V.
Chumak
,
A. A.
Serga
, and
B.
Hillebrands
,
Nat. Commun.
5
,
1
(
2014
).
6.
I.
Žutić
,
J.
Fabian
, and
S.
das Sarma
,
Rev. Mod. Phys.
76
,
323
410
(
2004
).
7.
S.
Bhatti
,
R.
Sbiaa
,
A.
Hirohata
,
H.
Ohno
,
S.
Fukami
, and
S. N.
Piramanayagam
,
Mater. Today
20
,
530
548
(
2017
).
8.
T.
Suzuki
,
Z.
Zhang
,
A. K.
Singh
,
J.
Yin
,
A.
Perumal
, and
H.
Osawa
,
IEEE Trans. Magn.
41
,
555
559
(
2005
).
9.
T. K. H.
Pham
,
M.
Ribeiro
,
J. H.
Park
,
N. J.
Lee
,
K. H.
Kang
,
E.
Park
,
V. Q.
Nguyen
,
A.
Michel
,
C. S.
Yoon
,
S.
Cho
, and
T. H.
Kim
,
Sci. Rep.
8
,
13907
(
2018
).
10.
K.
Carva
and
I.
Turek
,
Phys. Rev. B
76
,
104409
(
2007
).
11.
M.
Caminale
,
A.
Ghosh
,
S.
Auffret
,
U.
Ebels
,
K.
Ollefs
,
F.
Wilhelm
,
A.
Rogalev
, and
W. E.
Bailey
,
Phys. Rev. B
94
,
014414
(
2016
).
12.
A.
Hoffmann
,
IEEE Trans. Magn.
49
,
5172
5193
(
2013
).
13.
E. T.
Papaioannou
,
G.
Torosyan
,
S.
Keller
,
L.
Scheuer
,
M.
Battiato
,
V. K.
Mag-Usara
,
J.
L’Huillier
,
M.
Tani
, and
R.
Beigang
,
IEEE Trans. Magn.
54
,
1
5
(
2018
).
14.
S.
Keller
,
L.
Mihalceanu
,
M. R.
Schweizer
,
P.
Lang
,
B.
Heinz
,
M.
Geilen
,
T.
Brächer
,
P.
Pirro
,
T.
Meyer
,
A.
Conca
,
D.
Karfaridis
,
G.
Vourlias
,
T.
Kehagias
,
B.
Hillebrands
, and
E.T.
Papaioannou
,
New J. Phys.
20
,
053002
(
2018
).
15.
L.
Mihalceanu
,
S.
Keller
,
J.
Greser
,
D.
Karfaridis
,
K.
Simeonidis
,
G.
Vourlias
,
T.
Kehagias
,
A.
Conca
,
B.
Hillebrands
, and
E. T.
Papaioannou
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
252406
(
2017
).
16.
S.
Keller
,
J.
Greser
,
M. R.
Schweizer
,
A.
Conca
,
V.
Lauer
,
C.
Dubs
,
B.
Hillebrands
, and
E. T.
Papaioannou
,
Phys. Rev. B
96
,
024437
(
2017
).
17.
A.
Conca
,
S.
Keller
,
L.
Mihalceanu
,
T.
Kehagias
,
G. P.
Dimitrakopulos
,
B.
Hillebrands
, and
E. T.
Papaioannou
,
Phys. Rev. B
93
,
134405
(
2016
).
18.
P.
Vlaic
and
E.
Burzo
,
J. Optoelectron. Adv. Mater.
12
,
1114
(
2010
).
19.
R.
Medwal
,
N.
Sehdev
,
Govind
, and
S.
Annapoorni
,
Appl. Phys. A
109
,
403
408
(
2012
).
20.
M. L.
Yan
,
Y. F.
Xu
, and
D. J.
Sellmyer
,
J. Appl. Phys.
99
,
08G903
(
2006
).
21.
S. I.
Konorev
,
R.
Kozubski
,
M.
Albrecht
, and
I. A.
Vladymyrskyi
,
Comput. Mater. Sci.
192
,
110337
(
2021
).
22.
L.
Scheuer
,
M.
Ruhwedel
,
D.
Karfaridis
,
I. G.
Vasileiadis
,
D.
Sokoluk
,
G.
Torosyan
,
G.
Vourlias
,
G. P.
Dimitrakopoulos
,
M.
Rahm
,
B.
Hillebrands
,
T.
Kehagias
,
R.
Beigang
, and
E. T.
Papaioannou
,
iScience
25
,
104319
(
2022
).
23.
T.
Burkert
,
L.
Nordström
,
O.
Eriksson
, and
O.
Heinonen
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
027203
(
2004
).
24.
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
,
J.
Grollier
,
J. P.
Heremans
,
T.
Jungwirth
,
A. V.
Kimel
,
B.
Koopmans
,
I. N.
Krivorotov
,
S. J.
May
,
A. K.
Petford-Long
,
J. M.
Rondinelli
,
N.
Samarth
,
I. K.
Schuller
,
A. N.
Slavin
,
M. D.
Stiles
,
O.
Tchernyshyov
,
A.
Thiaville
, and
B. L.
Zink
,
Rev. Mod. Phys.
89
,
025006
(
2017
).
25.
F.
Kurth
,
M.
Weisheit
,
K.
Leistner
,
T.
Gemming
,
B.
Holzapfel
,
L.
Schultz
, and
S.
Fähler
,
Phys. Rev. B
82
,
184404
(
2010
).
26.
A.
Brataas
,
Y. V.
Nazarov
, and
G. E. W.
Bauer
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
2481
2484
(
2000
).
27.
M.
Schneider
,
A.
Rahman
, and
I. K.
Schuller
,
Superlattices Microstruct.
7
,
39
46
(
1990
).
28.
M.
Johnson
and
R. H.
Silsbee
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
1790
1793
(
1985
).
29.
E.
Saitoh
,
M.
Ueda
,
H.
Miyajima
, and
G.
Tatara
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
182509
(
2006
).
30.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
19
(
1995
).
31.
X. W.
Zhou
,
R. A.
Johnson
, and
H. N. G.
Wadley
,
Phys. Rev. B
69
,
144113
(
2004
).
32.
L.
Xie
,
P.
Brault
,
A.-L.
Thomann
, and
L.
Bedra
,
Appl. Surf. Sci.
274
, 164 (
2013
).
33.
G.
Zhu
,
J.
Sun
,
L.
Zhang
, and
Z.
Gan
,
J. Cryst. Growth
492
,
60
–66 (
2018
).
34.
M. A.
Caro
,
G.
Csányi
,
T.
Laurila
, and
V. L.
Deringer
,
Phys. Rev. B
102
,
174201
(
2020
).
35.
N. A.
Marks
,
Diam. Relat. Mater.
14
,
1223
1231
(
2005
).
36.
T.
Schneider
and
E.
Stoll
,
Phys. Rev. B
17
,
1302
1322
(
1978
).
37.
B.
Dunweg
and
W.
Paul
,
Int. J. Mod. Phys. C
02
,
817
827
(
1991
).
38.
See https://docs.lammps.org/fix_langevin.html for “LAMMPS Manual, ‘fix langevin command’” (
2023
).
39.
P. J.
Cumpson
,
J. F.
Portoles
,
A. J.
Barlow
, and
N.
Sano
,
J. Appl. Phys.
114
,
124313
(
2013
).
40.
M. P.
Seah
and
T. S.
Nunney
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
253001
(
2010
).
41.
M.
Janghorbanl
,
M.
Vulll
, and
K.
Starke
,
Anal. Chem.
47
,
2200
2208
(
1975
).
42.
R. J.
Ward
and
B. J.
Wood
,
Surf. Interface Anal.
18
,
679
684
(
1992
).
43.
M. P.
Seah
,
I. S.
Gilmore
, and
S. J.
Spencer
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
120
,
93
111
(
2001
).
44.
D.
Karfaridis
,
L.
Mihalceanu
,
S.
Keller
,
K.
Simeonidis
,
G. P.
Dimitrakopulos
,
T.
Kehagias
,
E. T.
Papaioannou
, and
G.
Vourlias
,
Thin Solid Films
694
,
137716
(
2020
).
45.
Τ.
Kehagias
,
D.
Karfaridis
,
C.
Ballani
,
L.
Mihalceanu
,
C.
Hauser
,
I. G.
Vasileiadis
,
G. P.
Dimitrakopulos
,
G.
Vourlias
, and
E. T.
Papaioannou
,
Materials
14
,
4354
(
2021
).
46.
Y.
Xie
,
N.
Zhao
,
H.
Zhong
,
T.
Zhang
,
W.
Cui
, and
Q.
Wang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
495001
(
2017
).
47.
E. T.
Papaioannou
,
P.
Fuhrmann
,
M. B.
Jungfleisch
,
T.
Brächer
,
P.
Pirro
,
V.
Lauer
,
J.
Lösch
, and
B.
Hillebrands
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
162401
(
2013
).
48.
A.
Stukowski
,
Model. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
,
015012
(
2010
).
49.
A.
Stukowski
,
K.
Albe
, and
D.
Farkas
,
Phys. Rev. B
82
,
224103
(
2010
).
50.
Y.
Yang
,
P.
Castany
,
E.
Bertrand
,
M.
Cornen
,
J. X.
Lin
, and
T.
Gloriant
,
Acta Mater.
149
,
97
107
(
2018
).
51.
L.
Wang
,
J.
Teng
,
P.
Liu
,
A.
Hirata
,
E.
Ma
,
Z.
Zhang
,
M.
Chen
, and
X.
Han
,
Nat. Commun.
5
,
4402
(
2014
).
52.
S. C.
Chou
,
C. C.
Yu
,
Y.
Liou
,
Y. D.
Yao
,
D. H.
Wei
,
T. S.
Chin
, and
M. F.
Tai
,
J. Appl. Phys.
95
,
7276
7278
(
2004
).
53.
C. S.
Kim
,
J. J.
Sapan
,
S.
Moyerman
,
K.
Lee
,
E. E.
Fullerton
, and
M. H.
Kryder
,
IEEE Trans. Magn.
46
,
2282
2285
(
2010
).
54.
T.
Dutta
,
N.
Dwivedi
,
M. S. M.
Saifullah
,
H.
Yang
,
C. S.
Bhatia
, and
S. N.
Piramanayagam
,
J. Magn. Magn. Mater.
461
,
6
13
(
2018
).
55.
N. T.
Nam
,
W.
Lu
, and
T.
Suzuki
,
IEEE Trans. Magn.
45
,
2531
2533
(
2009
).
56.
W. J.
Antel
,
M. M.
Schwickert
,
T.
Lin
,
W. L.
O’Brien
, and
G. R.
Harp
,
Phys. Rev. B
60
,
12933
12940
(
1999
).
57.
Joint Committee on Powder Standards,
“PC Powder Diffraction Files” (International Centre for Diffraction Data,
2003
); available at https://www.icdd.com.
58.
O.
Mosendz
,
J. E.
Pearson
,
F. Y.
Fradin
,
G. E. W.
Bauer
,
S. D.
Bader
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
046601
(
2010
).
59.
P. M.
Haney
,
H.-W.
Lee
,
K.-J.
Lee
,
A.
Manchon
, and
M. D.
Stiles
,
Phys. Rev. B
87
,
1
(
2013
).
60.
P.
Laczkowski
,
Y.
Fu
,
H.
Yang
,
J.-C.
Rojas-Sánchez
,
P.
Noel
,
V. T.
Pham
,
G.
Zahnd
,
C.
Deranlot
,
S.
Collin
,
C.
Bouard
,
P.
Warin
,
V.
Maurel
,
M.
Chshiev
,
A.
Marty
,
J.-P.
Attané
,
A.
Fert
,
H.
Jaffrès
,
L.
Vila
, and
J.-M.
George
,
Phys. Rev. B
96
,
140405
(
2017
).
61.
Z.
Wang
,
Y.
Sun
,
M.
Wu
,
V.
Tiberkevich
, and
A.
Slavin
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
146602
(
2011
).
62.
A.
Conca
,
S.
Keller
,
M. R.
Schweizer
,
E. T.
Papaioannou
, and
B.
Hillebrands
,
Phys. Rev. B
98
,
214439
(
2018
).
63.
K.
Roy
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
022404
(
2020
).
64.
M.
Weiler
,
M.
Althammer
,
M.
Schreier
,
J.
Lotze
,
M.
Pernpeintner
,
S.
Meyer
,
H.
Huebl
,
R.
Gross
,
A.
Kamra
,
J.
Xiao
,
Y.-T.
Chen
,
H.
Jiao
,
G. E. W.
Bauer
, and
S. T. B.
Goennenwein
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
176601
(
2013
).
You do not currently have access to this content.