Unexpected versatile electrical transport behaviors of ferromagnetic nickel films

自旋电子学 铁磁性 凝聚态物理 材料科学 磁电阻 磁性 磁各向异性 磁铁 各向异性 磁化 磁场 冶金 电气工程 物理 光学 工程类 量子力学
作者
Kaixuan Zhang,Hongxia Xu,Jong K. Keum,Xiangqi Wang,Meizhuang Liu,Zuxin Chen
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.1088/1361-648x/ad2e25
摘要

Perpendicular magnetic anisotropy (PMA) of magnets is paramount for electrically controlled spintronics due to their intrinsic potentials for higher memory density, scalability, thermal stability and endurance, surpassing an in-plane magnetic anisotropy (IMA). Nickel film is a long-lived fundamental element ferromagnet, yet its electrical transport behavior associated with magnetism has not been comprehensively studied, hindering corresponding spintronic applications exploiting nickel-based compounds. Here, we systematically investigate the highly versatile magnetism and corresponding transport behavior of nickel films. As the thickness reduces within the general thickness regime of a magnet layer for a memory device, the hardness of nickel films' ferromagnetic loop of anomalous Hall effect increases and then decreases, reflecting the magnetic transitions from IMA to PMA and back to IMA. Additionally, the square ferromagnetic loop changes from a hard to a soft one at rising temperatures, indicating a shift from PMA to IMA. Furthermore, we observe a butterfly magnetoresistance resulting from the anisotropic magnetoresistance effect, which evolves in conjunction with the thickness and temperature-dependent magnetic transformations as a complementary support. Our findings unveil the rich magnetic dynamics and most importantly settle down the most useful guiding information for current-driven spintronic applications based on nickel film: The hysteresis loop is squarest for the ~8 nm-thick nickel film, of highest hardness with Rxyr/Rxys~1 and minimum Hs-Hc, up to 125 K; otherwise, extra care should be taken for a different thickness or at a higher temperature.

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