[CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막의 수직자기 이방성 각도에 따른 상호교환결합력 특성 Anisotropy Angle Dependence of Interlayer Exchange Coupling of Perpendicular Magnetic [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn Multilayers원문보기
[CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막에 대하여 반강자성체 IrMn층 두께 의존성 및 열적안정성, 수평으로 전환하는 각도에 의존하는 수직자기 이방성 특성을 관찰하였다. IrMn층을 통해 유도된 강자성체/비자성체/강자성체 구조인 [CoFe($10{\AA}$)/Pt($8{\AA}$)/CoFe($10{\AA}$)]/IrMn 다층박막은 IrMn 두께 $7{\AA}$부터 상호교환결합력이 형성되었고, 열처리 온도 $250^{\circ}C$까지 열적안정성을 유지하였다. 수직자기 이방성 [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막에서 바닥 CoFe층과 Pt층을 사이에 두고 반강자성체인 IrMn층에 의해 고정되어 있는 상부 CoFe층간의 상호교환결합력은 이방성 측정 각도가 $0^{\circ}$, $60^{\circ}$일 때 각각 1,000 Oe, 1,500 Oe로, $90^{\circ}$일 때 $\infty$ Oe로 나타났다.
[CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막에 대하여 반강자성체 IrMn층 두께 의존성 및 열적안정성, 수평으로 전환하는 각도에 의존하는 수직자기 이방성 특성을 관찰하였다. IrMn층을 통해 유도된 강자성체/비자성체/강자성체 구조인 [CoFe($10{\AA}$)/Pt($8{\AA}$)/CoFe($10{\AA}$)]/IrMn 다층박막은 IrMn 두께 $7{\AA}$부터 상호교환결합력이 형성되었고, 열처리 온도 $250^{\circ}C$까지 열적안정성을 유지하였다. 수직자기 이방성 [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막에서 바닥 CoFe층과 Pt층을 사이에 두고 반강자성체인 IrMn층에 의해 고정되어 있는 상부 CoFe층간의 상호교환결합력은 이방성 측정 각도가 $0^{\circ}$, $60^{\circ}$일 때 각각 1,000 Oe, 1,500 Oe로, $90^{\circ}$일 때 $\infty$ Oe로 나타났다.
Dependence of interlayer exchange coupling on antiferromagnetic IrMn thickness, thermal stability, and parallel anisotropy angle in perpendicular anisotropy [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn multilayers was investigated. The magnetic property of [CoFe($10{\AA}$)/Pt($8{\AA}$)/CoFe($10{\A...
Dependence of interlayer exchange coupling on antiferromagnetic IrMn thickness, thermal stability, and parallel anisotropy angle in perpendicular anisotropy [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn multilayers was investigated. The magnetic property of [CoFe($10{\AA}$)/Pt($8{\AA}$)/CoFe($10{\AA}$)] induced by antiferromagnetic ordering of IrMn layer was maintained a stable perpendicular anisotropy up to $250^{\circ}C$ and from $7{\AA}$ to $160{\AA}$ of IrMn thickness. The value of interlayer exchange coupling of [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn multilayers with perpendicular anisotropy increased to 1.5 times at anisotropy angle of $60^{\circ}$ more than of $0^{\circ}$. On the other side, the interlayer exchange coupling at anisotropy angle of $90^{\circ}$ was $\infty$ Oe, it was likely diverted to a parallel shape magnetization.
Dependence of interlayer exchange coupling on antiferromagnetic IrMn thickness, thermal stability, and parallel anisotropy angle in perpendicular anisotropy [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn multilayers was investigated. The magnetic property of [CoFe($10{\AA}$)/Pt($8{\AA}$)/CoFe($10{\AA}$)] induced by antiferromagnetic ordering of IrMn layer was maintained a stable perpendicular anisotropy up to $250^{\circ}C$ and from $7{\AA}$ to $160{\AA}$ of IrMn thickness. The value of interlayer exchange coupling of [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn multilayers with perpendicular anisotropy increased to 1.5 times at anisotropy angle of $60^{\circ}$ more than of $0^{\circ}$. On the other side, the interlayer exchange coupling at anisotropy angle of $90^{\circ}$ was $\infty$ Oe, it was likely diverted to a parallel shape magnetization.
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문제 정의
더욱이 초격자 박막의 강자성체 층 두께가 증가함에 따라 수평자기 이방성 특성이 나타나게 된다. 본 연구에서는 자화용이축을 수직면으로 한 glass/buffer/CoFe/Pt/CoFe/IrMn/cap 다층박막 구조에 대해 IrMn층 두께에 따른 수직자기 이방성 특성과 열정 안정성을 조사하였다. 그리고 비정상 홀-전압(Hall-voltage) 측정시 인가된 외부자기장이 수평으로 바뀌는 과정에서 두 강자성체간의 상호교환결합력에 대한 각도 이방성 효과를 관찰하였다.
제안 방법
Buffer/CoFe/Pt/CoFe/IrMn/cap 다층박막을 3×10−6Torr인 초고진공 증착 시스템을 이용하여 유리(Corning 7059) 기판 위에 마그네트론 스퍼터링 방법으로 상온에서 증착하였다.
증착시 일축 방향 이방성 자기장은 인가하지 않았다. Pt, CoFe, IrMn의 독립적인 3인치-타겟들을 증착시 플라즈마의 상호간섭이나 타겟성분들 간의 혼재를 방지하기 위해 스테인레스 분리판을 두었다. Pt, CoFe, IrMn 박막들의 증착율은 각각 2.
[CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막에 대하여 반강자성체 IrMn층 두께 의존성 및 열적 안정성, 그리고 수평으로 전환하는 각도의존성을 갖는 수직 자기이방성 특성을 관찰하였다. 본 연구에서 [CoFe(10 Å)/Pt(8 Å)/CoFe(10 Å)]/IrMn은 IrMn 두께가 7 Å부터 비교적 안정된 상호교환결합력을 보이며 250 ℃까지 열적 안정성을 유지하였다.
곤란축 자기이력곡선은 외부자기장을 박막 면에 수평 방향으로 인가하여 얻었다. [CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막의 상호교환결합력이 존재하는 반강자성체 IrMn층 두께를 조사하기위해 CoFe/Pt/CoFe 3층구조 각층의 두께를 고정시키고 IrMn층 두께를 달리하면서 포화되는 상호교환결합력 크기 변화를 조사하였다.
본 연구에서는 자화용이축을 수직면으로 한 glass/buffer/CoFe/Pt/CoFe/IrMn/cap 다층박막 구조에 대해 IrMn층 두께에 따른 수직자기 이방성 특성과 열정 안정성을 조사하였다. 그리고 비정상 홀-전압(Hall-voltage) 측정시 인가된 외부자기장이 수평으로 바뀌는 과정에서 두 강자성체간의 상호교환결합력에 대한 각도 이방성 효과를 관찰하였다.
그 외 사잇 각도는 수직방향을 기준으로하여 30°, 45°, 60°로 하였다. 기준 시료들의 홀-전압법으로 측정한 자기이력곡선은 초전도양자간섭소자(superconducting quantum interference device; SQUID) 자력계와 표면자기광학 Kerr 효과(surface magneto Kerr effect; SMOKE)로 측정한 자기이력곡선과 비교하였다.
모든 시료의 CoFe/Pt/ CoFe 3층 박막의 두께는 CoFe(10 Å)/Pt(8 Å)/CoFe(10 Å)로 하였으며, 수직 자기이방성 상호교환결합력이 가장 좋은 최적의 buffer층과 cap층의 박막구조와 두께는 각각 NiO(30 Å)/Pt(8 Å)과 Pt(16 Å)로 정하였다.
비정상 홀-전압 곡선과 SQUID 곡선을 비교할 때, 상호교환결합력 및 보자력 크기와 포화자화 값들은 거의 일치함을 알 수 있다. 수직자기 이방성 특성을 측정하는 물리량과 측정 방법이 서로 다르지만, 다른 두 개의 M-H 곡선들을 통해서 상호교환결합력을 띤 수직자기 이방성 다층박막 임을 확인하였다.
Torr 챔버에서 진공열처리를 적용하였다. 열처리시 외부자기장이 없는 상태에서 히터인 할로겐 램프와 시료 장착용 Cu 블록을 이용하여 도달한 열처리 온도 최대값은 300 ℃이었고, 상승과 하강 온도 비율은 각각2 ℃/min와 1 ℃/min로 정하였다. 모든 시료는 열처리 최종온도에서 1 hr를 머무르게 하였다.
대상 데이터
3Å/s 이었다. 증착시 0.2 mm 두께의 스테인레스 그림자 마스크를 이용하여 폭 10 mm 길이 30 mm의 4-단자 정방 십자형 박막시료의 크기를 제작하였다. 모든 시료의 CoFe/Pt/ CoFe 3층 박막의 두께는 CoFe(10 Å)/Pt(8 Å)/CoFe(10 Å)로 하였으며, 수직 자기이방성 상호교환결합력이 가장 좋은 최적의 buffer층과 cap층의 박막구조와 두께는 각각 NiO(30 Å)/Pt(8 Å)과 Pt(16 Å)로 정하였다.
이론/모형
시료의 자기이력곡선은 박막 면에 수직으로 외부자기장을 인가해 십자형 박막전극 4-단자법으로 전류와 전압을 측정한 비정상 홀-전압 크기(extraordinary Hall-voltage amplitude; EHA) 곡선으로부터 얻었다. 곤란축 자기이력곡선은 외부자기장을 박막 면에 수평 방향으로 인가하여 얻었다.
성능/효과
본 연구에서 [CoFe(10 Å)/Pt(8 Å)/CoFe(10 Å)]/IrMn은 IrMn 두께가 7 Å부터 비교적 안정된 상호교환결합력을 보이며 250 ℃까지 열적 안정성을 유지하였다. IrMn 층을 통해 유도된 강자성체/비자성체/강자성체의 구조적인 특성에 관계가 있음을 알 수 있었다.
하지만, IrMn 층의 두께의 영향을 받는 7 Å부터 160 Å까지 두 CoFe층간 발생한 상호교환결합력 크기가 1,000 Oe로 비슷한 값을 유지하였다. 더욱이 본 연구진의 실험 결과에 의하면 [Pt/CoFe]N의 층수와 관계없이 [CoFe/Pt/CoFe]2과 [CoFe/Pt/CoFe]3 다층박막 구조에서도 상호교한결합력이 일어나는 최소 IrMn층 두께 이상으로 증가하더라도 거의 1,000 Oe로 같은 크기의 상호교환결합력을 가지고 있음을 확인하였다[11]. 이러한 결과는 반강자성체 IrMn층과 강자성체 CoFe층간의 수평 형상자기이방성 교환결합력에 기인한 수직자기 이방성 효과로 상호교환결합력이 형성된 것으로 생각된다.
그 이유는 시작점과 전환점에서 시료의 안정화를 위하여 머무르면서 측정한 노이즈형 데이터들이 존재하였기 때문이다. 또한 수평과 수직면상에서 측정한 자기이력곡선에서는 1,000 Oe의 상호교환결합 크기를 유지하면서 선형적으로 기울어진 형태를 보였다. 이러한 현상은 SQUID 측정시 유리 기판과 buffer층 및 cap층에서 나오는 상자성체적인 자기 물성적 특성이 더하여졌기 때문이다.
100 ℃에서 열처리한 상호교환결합력의 크기는 열처리 전 상온에서의 크기보다 작은 800 Oe로 줄어들었다. 또한 열처리 온도 150 ℃에서 비교적 안정된 수직자기 이방성을 유지하지만, 100 ℃보다 더 줄어든 650 Oe의 상호교환결합력을 나타내었다. 250 ℃부터는 상호교환결합력이 500 Oe으로 줄어들면서, 300 ℃에서는 전혀 상호교환결합력을 가지고 있지 않은 수직자기과 수평자기 이방성이 혼합된 상태임을 보였다.
[CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막에 대하여 반강자성체 IrMn층 두께 의존성 및 열적 안정성, 그리고 수평으로 전환하는 각도의존성을 갖는 수직 자기이방성 특성을 관찰하였다. 본 연구에서 [CoFe(10 Å)/Pt(8 Å)/CoFe(10 Å)]/IrMn은 IrMn 두께가 7 Å부터 비교적 안정된 상호교환결합력을 보이며 250 ℃까지 열적 안정성을 유지하였다. IrMn 층을 통해 유도된 강자성체/비자성체/강자성체의 구조적인 특성에 관계가 있음을 알 수 있었다.
이러한 현상은 SQUID 측정시 유리 기판과 buffer층 및 cap층에서 나오는 상자성체적인 자기 물성적 특성이 더하여졌기 때문이다. 비정상 홀-전압 곡선과 SQUID 곡선을 비교할 때, 상호교환결합력 및 보자력 크기와 포화자화 값들은 거의 일치함을 알 수 있다. 수직자기 이방성 특성을 측정하는 물리량과 측정 방법이 서로 다르지만, 다른 두 개의 M-H 곡선들을 통해서 상호교환결합력을 띤 수직자기 이방성 다층박막 임을 확인하였다.
[CoFe/Pt/CoFe]/IrMn 다층박막에서 IrMn층 두께가 0 Å일 때, 서로 샌드위치구조를 이루고 있는 비자성체인 Pt층을 사이를 두어 강자성체인 상·하부 CoFe층들 간의 상호교환결합력이 전혀 일어나지 않았다. 즉, 보자력만 160 Oe인 일반적인 수직자기 이방성 특성을 보여 주었다. 하지만, IrMn 층의 두께의 영향을 받는 7 Å부터 160 Å까지 두 CoFe층간 발생한 상호교환결합력 크기가 1,000 Oe로 비슷한 값을 유지하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비자성체인 Pt층 두께에 의존하는 상호교환결합력의 진동 현상과 관계있는 특성은 어떤 것인가?
그 진동주기는 대략 Pt의 두 단원자 층에 해당한다. 비자성체인 Pt층 두께에 의존하는 상호교환결합력의 진동 현상은 IrMn층을 통해서 유도된 강자성체/비자성체/강자성체의 구조적인 특성과 관계가 있다. 한편 [Pt/CoFe]4/NiO(tNiO)/[CoFe/Pt]4 다층박막 구조에 대하여 수직자기 이방성은 반강자성체 NiO 두께가 4~5 Å인 두 단원자 층에 해당하는 두께에서 주기적 특성이 보였다.
본 논문에서 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용한 증착 시 인가하지 않은 자기장은 무엇인가?
Buffer/CoFe/Pt/CoFe/IrMn/cap 다층박막을 3×10−6Torr인 초고진공 증착 시스템을 이용하여 유리(Corning 7059) 기판 위에 마그네트론 스퍼터링 방법으로 상온에서 증착하였다. 증착시 일축 방향 이방성 자기장은 인가하지 않았다. Pt, CoFe, IrMn의 독립적인 3인치-타겟들을 증착시 플라즈마의 상호간섭이나 타겟성분들 간의 혼재를 방지하기 위해 스테인레스 분리판을 두었다.
수직자기 이방성 Co/Ru 및 Ni/Cu 초격자 다층박막 구조에서도 두 강자성체 층 사이의 상호교환결합력은 어떤 특성이 있는가?
수평자기 이방성 Fe/Cr 다층구조와 반강자성체/강자성체/Cu/강자성체 스핀밸브 구조에서 각각 Cr층 두께와 Cu층 두께에 따라 진동하는 자기저항특성이 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida) 모델로 설명이 가능하다[1, 2]. 수직자기 이방성 Co/Ru 및 Ni/Cu 초격자 다층박막 구조에서도 두 강자성체 층 사이의 상호교환결합력(interlayer exchange coupling; IEC)은 비자성 금속층의 두께에 의존하여 주기적으로 진동하는 특성이 있다. 즉, 사잇층인 금속층과 달리 반강자성체 NiO층이나 절연체 MgO층일 때, 단원자층 주기로 두께가 증가할수록 상호교환결합력 크기는 단계적으로 감쇠하여 수직자기 이방성 다층박막구조에서도 RKKY 진동과 비슷한 현상이 있음을 보고하였다[3, 4].
참고문헌 (13)
D. T. Margulies, M. E. Schabes, W. McChesney, and E. E. Fullerton, Appl. Phys. Lett., 80, 91 (2002)
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