이온빔 증착법으로 제작한 코닝유리(Corning glass)/Ta(5 nm)/NiFe(7 nm)/FeMn(25 nm)/Ta(5 nm) 다층박막 구조에서 반강자성체 FeMn층 증착시 인가한 일축 이방성 자기장 방향에 따른 강자성체 NiFe층의 자화 스핀배열 의존성을 조사하였다. NiFe층과 FeMn 층 증착시 인가한 자기장 방향을 달리한 각도는 각각 $0^{\circ},\;45^{\circ},\;90^{\circ}$였다. 용이축 MR(magnetoresistaice) 곡선으로부터 얻은 교환결합세기(Hex)는 증착 자기장 각도가 $45^{\circ}$일 때 40 Oe로, $90^{\circ}$일 때는 거의 0 Oe로 감소하였다. 반면에 곤란축 MR 곡선으로부터 얻은 $H_{ex}$ 값은 증착 자기장 각도가 $45^{\circ}$일 때 35 Oe로, 90o일 때는 79 Oe로 증가하였다. 강자성체 층의 용이축과 반강자성체 층의 일축 이방성 방향이 $90^{\circ}$ 차이가 나는 계면에서도 FeMn층이 NiFe층의 자기모멘트 스핀방향을 회전시켜 교환결합 이방성 효과가 발생함을 알 수 있었다.
이온빔 증착법으로 제작한 코닝유리(Corning glass)/Ta(5 nm)/NiFe(7 nm)/FeMn(25 nm)/Ta(5 nm) 다층박막 구조에서 반강자성체 FeMn층 증착시 인가한 일축 이방성 자기장 방향에 따른 강자성체 NiFe층의 자화 스핀배열 의존성을 조사하였다. NiFe층과 FeMn 층 증착시 인가한 자기장 방향을 달리한 각도는 각각 $0^{\circ},\;45^{\circ},\;90^{\circ}$였다. 용이축 MR(magnetoresistaice) 곡선으로부터 얻은 교환결합세기(Hex)는 증착 자기장 각도가 $45^{\circ}$일 때 40 Oe로, $90^{\circ}$일 때는 거의 0 Oe로 감소하였다. 반면에 곤란축 MR 곡선으로부터 얻은 $H_{ex}$ 값은 증착 자기장 각도가 $45^{\circ}$일 때 35 Oe로, 90o일 때는 79 Oe로 증가하였다. 강자성체 층의 용이축과 반강자성체 층의 일축 이방성 방향이 $90^{\circ}$ 차이가 나는 계면에서도 FeMn층이 NiFe층의 자기모멘트 스핀방향을 회전시켜 교환결합 이방성 효과가 발생함을 알 수 있었다.
The relation of ferromagnet anisotropic magnetization and the antiferromagnet atomic spin configuration has been investigated for variously angles of unidirectional deposition magnetic field of FeMn layer in Corning glas/Ta(5 nm)/NiFe(7 nm)/FeMn(25 nm)/ Ta(5 nm) multilayer prepared by ion beam depos...
The relation of ferromagnet anisotropic magnetization and the antiferromagnet atomic spin configuration has been investigated for variously angles of unidirectional deposition magnetic field of FeMn layer in Corning glas/Ta(5 nm)/NiFe(7 nm)/FeMn(25 nm)/ Ta(5 nm) multilayer prepared by ion beam deposition. Three unidirectional deposition angles of FeMn layer are $0^{\circ},\;45^{\circ}$, and $90^{\circ}$, respectively. The exchange bias field ($H_{ex}$) obtained from the measuring easy axis MR loop was decreased to 40 Oe in deposition angle of $45^{\circ}$, and to 0 Oe in the angle of $90^{\circ}$. One other side hand, $H_{ex}$ obtained from the measuring hard axis MR loop was increased to 35 Oe in deposition angle of $45^{\circ}$, and to 79 Oe in the angle of $90^{\circ}$. Although the difference of uniderectional axis between ferromagnet NiFe and antiferromagnet FeMn was 90o, the strong antiferromagnetic dipole moment of FeMn caused to rotate the weak ferromagnetic dipole moment of NiFe in the interface. This result implies that one of origins for exchange coupling mechanism depends on the effect of magnetic field angle during deposition of antiferromgnet FeMn layer.
The relation of ferromagnet anisotropic magnetization and the antiferromagnet atomic spin configuration has been investigated for variously angles of unidirectional deposition magnetic field of FeMn layer in Corning glas/Ta(5 nm)/NiFe(7 nm)/FeMn(25 nm)/ Ta(5 nm) multilayer prepared by ion beam deposition. Three unidirectional deposition angles of FeMn layer are $0^{\circ},\;45^{\circ}$, and $90^{\circ}$, respectively. The exchange bias field ($H_{ex}$) obtained from the measuring easy axis MR loop was decreased to 40 Oe in deposition angle of $45^{\circ}$, and to 0 Oe in the angle of $90^{\circ}$. One other side hand, $H_{ex}$ obtained from the measuring hard axis MR loop was increased to 35 Oe in deposition angle of $45^{\circ}$, and to 79 Oe in the angle of $90^{\circ}$. Although the difference of uniderectional axis between ferromagnet NiFe and antiferromagnet FeMn was 90o, the strong antiferromagnetic dipole moment of FeMn caused to rotate the weak ferromagnetic dipole moment of NiFe in the interface. This result implies that one of origins for exchange coupling mechanism depends on the effect of magnetic field angle during deposition of antiferromgnet FeMn layer.
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문제 정의
그 중 미시적인 표면거칠기 때문에 발생한 (111) 결정구조 격자 내에서 스핀 방향이 서로 보상되지 않은 두 개층은 원자 스핀 존재와 계면에서 반강자성체 원자들의 극소량 희석 및 오렌지 결합력(orange coupling field) 존재로 설명이 가능하다[9-11]. 본 연구는, 강자성체와 반강자성체 사이 발생하는 교환결합력의 근원을 규명하는 실마리를 얻고자 하였다. Sub/Ta/NiFe/FeMn/Ta 다층구조에서 각 층을 증착할때, 일축으로 인가한 자기장에 의존하는 NiFe/FeMn 이중박막의 교환결합력 이방성 효과에 대한 실험을 하였다.
등방적으로 성장한 결정 구조와 더불어 비교적 작은 크기의 결정 낱알입자들이 교환 결합세기를 상대적으로 향상한다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 반강자성체 FeMn층의 자기장 인가시 증착각도를 달리함으로써, 계면에서 발생하는 교환결합세기의 발생 원인을 규명하기 위한 기본적인 실험결과를 제시하였다.
제안 방법
이온빔 증착법은 스퍼터링 증착법과 달리 이온빔 타겟에 입사하는 각도로 인해 타겟에서 떨어져 나온 증착 원자들이나 이온들이 기판에 경사진 각도로 증착됨으로서 박막의 결정성장에 큰 영향을 준다. NiFe/FeMn 이중박막에 대한 버퍼층 Ta층 두께가 0 nm에서 40 nm까지 변할 때 XRD로 측정한 결정성을 조사하였다[7]. Hex와 Hc의 의존성은 Ta이 증가함에 따라 NiFe(111)/γ-FeMn(111) 결정성이 우세하여 5 nm부터는 Hex의 값이 거의 90 Oe 일정한 값을 유지하였다.
본 연구는, 강자성체와 반강자성체 사이 발생하는 교환결합력의 근원을 규명하는 실마리를 얻고자 하였다. Sub/Ta/NiFe/FeMn/Ta 다층구조에서 각 층을 증착할때, 일축으로 인가한 자기장에 의존하는 NiFe/FeMn 이중박막의 교환결합력 이방성 효과에 대한 실험을 하였다. 특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고, FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장 방향을 변화하여 이미 형성된 강자성체의 이방성 자화력과 반강자성체 원자 스핀 배열의 변화 의존성을 고찰하였다.
Sub/Ta/NiFe/FeMn/Ta 다층구조의 FeMn층의 자기이방성에 따른 교환결합력 특성을 관찰하기 위해 NiFe층과 FeMn층 증착시 인가한 일방향 증착자기장 각도를 달리하였다. 특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고 FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장의 방향을 변화하여 실제로 이미 형성된 강자성체 이방성 자화력과 반강자성체 원자 스핀배열 변화 의존성을 고찰하였다.
특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고 FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장 방향을 변화하여 실제로 이미 형성된 강자성체 이방성 자화력과 반강자성체 FeMn 원자 스핀배열 변화 의존성을 고찰하였다. 박막 시료가 제작되는 공간 내에 균일한 자기장 350 Oe 값을 유지하도록 영구자석을 고정한 후 시료 전송대를 고진공 상태에서 Fig. 2와 같이 회전시켜 FeMn 층 증착시 각도를 다르게 하여 다층박막을 제작하였다.
강자성체 NiFe층의 용이축이 FeMn층의 일축방향과 90o차이 임에도 불구하고, NiFe층의 자기모멘트 스핀방향을 회전시켜 계면에서 먼저 교환결합을 발생시킨다. 본 연구에서 FeMn층이 증착될 때 원자빔이 기판에 도달하여 기판에 인접한 영구자석의 자화 방향으로 정렬한다고 사료된다. 이러한 결과로부터 FeMn층의 증착 자기장 방향을 고정하고 NiFe층 증착시 자기장 방향을 다르게 했을지라도 교환결합력과 자기쌍극자 모멘트의 스핀방향은 인가된 자기장의 방향 보다는 이미 형성된 FeMn층의 자기 모멘트 방향으로 회전 정렬 될 것으로 추측이 가능하다.
1 nm 이내로 양호하였다. 상온에서 증착한 모든 자성체 시료는 증착시 자기장 350 Oe 크기를 갖는 영구자석을 이용하여 일축 이방성을 유도하였다.
사용한 이온 건은 직경 3 cm 탄소판 그리드(grid)를 갖는 카프만 소스(Kaufmann source) 이었다. 이온빔 생성에 필요한 아르곤 가스 분압은 0.2 mTorr로 하였고, 증착율과 증착 균일도를 결정하는 가속전압, 양극(anode)의 방전 전압, 이온빔 전압 및 전류값을 각각 120 V, 30 V, 800 V, 6.0 mA로 정하였다. 이 조건에서 Ta, NiFe, FeMn 층들의 증착율은 각각 0.
여기서 증착각도 α는 0o, 45o, 90o이었다. 특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고 FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장 방향을 변화하여 실제로 이미 형성된 강자성체 이방성 자화력과 반강자성체 FeMn 원자 스핀배열 변화 의존성을 고찰하였다. 박막 시료가 제작되는 공간 내에 균일한 자기장 350 Oe 값을 유지하도록 영구자석을 고정한 후 시료 전송대를 고진공 상태에서 Fig.
Sub/Ta/NiFe/FeMn/Ta 다층구조의 FeMn층의 자기이방성에 따른 교환결합력 특성을 관찰하기 위해 NiFe층과 FeMn층 증착시 인가한 일방향 증착자기장 각도를 달리하였다. 특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고 FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장의 방향을 변화하여 실제로 이미 형성된 강자성체 이방성 자화력과 반강자성체 원자 스핀배열 변화 의존성을 고찰하였다. NiFe층과 FeMn층의 증착시 인가한 자기장 방향의 각도에 따라 측정한 MR 곡선으로부터 얻은 교환결합세기의 변화는 증착 자기장 각도가 45o일 때, Hex 값이 40 Oe로 감소하였고, 90o일 때, 거의 0 Oe로 급격히 감소하였다.
Sub/Ta/NiFe/FeMn/Ta 다층구조에서 각 층을 증착할때, 일축으로 인가한 자기장에 의존하는 NiFe/FeMn 이중박막의 교환결합력 이방성 효과에 대한 실험을 하였다. 특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고, FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장 방향을 변화하여 이미 형성된 강자성체의 이방성 자화력과 반강자성체 원자 스핀 배열의 변화 의존성을 고찰하였다.
대상 데이터
1(a)은 NiFe/FeMn 이중박막의 일반적인 형태로 교환 결합층을 갖는 glass/Ta/NiFe/FeMn 다층구조를 도시한 것이다. 다층박막 구조의 시료들은 Corning #7059 glass 위에 이온빔 증착(ion beam deposition; IBD) 시스템을 이용하여 상온에서 증착하였다. 자세한 증착시스템 개요도는 Fig.
6개의 3-인치 타겟이 장착된 초고진공(ultra-high vacuum; UHV) 이온빔 시스템은 기본 진공도가 1×10−8 Torr 이었다[12]. 사용한 이온 건은 직경 3 cm 탄소판 그리드(grid)를 갖는 카프만 소스(Kaufmann source) 이었다. 이온빔 생성에 필요한 아르곤 가스 분압은 0.
성능/효과
특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고 FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장의 방향을 변화하여 실제로 이미 형성된 강자성체 이방성 자화력과 반강자성체 원자 스핀배열 변화 의존성을 고찰하였다. NiFe층과 FeMn층의 증착시 인가한 자기장 방향의 각도에 따라 측정한 MR 곡선으로부터 얻은 교환결합세기의 변화는 증착 자기장 각도가 45o일 때, Hex 값이 40 Oe로 감소하였고, 90o일 때, 거의 0 Oe로 급격히 감소하였다. 반면에 곤란축으로 측정한 Hex 값은 각도가 45o와 90o일 때, 35 O와 79 Oe로 각각 증가하였다.
특히 NiFe층의 일축 자기장 방향은 일정하게 유지하고 FeMn층 증착시 인가한 일축 자기장의 방향을 변화하여 실제로 이미 형성된 강자성체 이방성 자화력과 반강자성체 원자 스핀배열 변화 의존성을 고찰하였다. NiFe층과 FeMn층의 증착시 인가한 자기장 방향의 각도에 따라 측정한 MR 곡선으로부터 얻은 교환결합세기의 변화는 증착 자기장 각도가 45o일 때, Hex 값이 40 Oe로 감소하였고, 90o일 때, 거의 0 Oe로 급격히 감소하였다. 반면에 곤란축으로 측정한 Hex 값은 각도가 45o와 90o일 때, 35 O와 79 Oe로 각각 증가하였다.
따라서, AMR 곡선과 대응하는 MH 곡선을 비교할 때, Hex와 Hc는 {(96 Oe) + (82 Oe)}/2 = 89 Oe와 {(96 Oe) − (82 Oe)}/2 = 4 Oe로 각각 결정되었다.
본 연구에서 FeMn층이 증착될 때 원자빔이 기판에 도달하여 기판에 인접한 영구자석의 자화 방향으로 정렬한다고 사료된다. 이러한 결과로부터 FeMn층의 증착 자기장 방향을 고정하고 NiFe층 증착시 자기장 방향을 다르게 했을지라도 교환결합력과 자기쌍극자 모멘트의 스핀방향은 인가된 자기장의 방향 보다는 이미 형성된 FeMn층의 자기 모멘트 방향으로 회전 정렬 될 것으로 추측이 가능하다. 따라서 강자성체와 반강자성체의 계면에서 일어나는 교환결합의 원인 중 하나가 FeMn층의 일축 이방성 효과로 판단된다.
제작된 박막 두께와 자기이력(magnetic hysteresis; MH) 곡선, 결정성은 각각 알파 스테퍼(α-stepper)와 VSM(vibrating sample magnetometer), XRD(X-ray diffractometer)를 사용해 2×2 cm2 영역의 증착 범위 내에서 균일함을 확인하였다.
15 nm/s 이었다. 증착된 각각의 Ta, NiFe, FeMn 단일박막을 EDS(energy dispersive spectrum)로 분석한 결과 불순물은 발견되지 않았고, 박막과 타겟의 원자성분비 차이가 2 % 이내로 거의 일치하였다. AFM(atomic force microscopy)으로 분석한 박막의 표면거칠기는 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
거대자기저항-스핀밸브 박막을 이용한 두 가지 대표적인 검출용 나노소자는 무엇인가?
거대자기저항-스핀밸브(gaint magnetoresistance-spin valve ; GMR-SV) 박막을 이용한 두 가지의 대표적인 검출용 나노소자로서 고밀도 자기기록에 대한 읽기 출력헤드와 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid; DNA) 칩(chip)에 핵심소자인 바이오-마커(bio-marker)가 각광을 받고 온지 오래이다[1-3]. GMR-SV 나노소자 구조는 반강자성체로 Mn합금 계열 박막인 IrMn, FeMn, PtMn, NiMn 박막과 강자성체 NiFe, CoFe 박막 비자성체 Cu 박막으로 이루어진다.
GMR-SV 나노소자의 전형적인 형태로서 반강자성층과 이웃해 있는 강자성체가 충분히 큰 교환결합력을 얻고자 상부층 구조의 반강자성층을 형성하게 되면 무엇을 돕게 되는가?
GMR-SV 나노소자의 전형적인 형태로서 반강자성층과 이웃해 있는 강자성체가 충분히 큰 교환결합력을 얻고자 상부층 구조의 반강자성층을 형성하게 된다. 이것은 교환 결합력 생성에 가장 중요한 요인인 γ-FeMn (111) 결정성장을 돕게 된다[7, 8].
GMR-SV 나노소자 구조는 무엇으로 이루어지는가?
거대자기저항-스핀밸브(gaint magnetoresistance-spin valve ; GMR-SV) 박막을 이용한 두 가지의 대표적인 검출용 나노소자로서 고밀도 자기기록에 대한 읽기 출력헤드와 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid; DNA) 칩(chip)에 핵심소자인 바이오-마커(bio-marker)가 각광을 받고 온지 오래이다[1-3]. GMR-SV 나노소자 구조는 반강자성체로 Mn합금 계열 박막인 IrMn, FeMn, PtMn, NiMn 박막과 강자성체 NiFe, CoFe 박막 비자성체 Cu 박막으로 이루어진다. 국내 · 외 유수의 자성체 그룹들에 의해 반강자성체 FeMn 혹은 IrMn과 이웃층 강자성체 NiFe 혹은 CoFe 박막 계면에서 발생되는 교환결합력(exchange bias coupling field; Hex) 메커니즘(mechanism) 의 근본 원인을 완전히 밝히는 연구가 진행되어 왔다[4-6].
참고문헌 (13)
B. Dieny, V. S. Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P. Baumgart, and D. R. Wilhoit, J. Appl. Phys., 69, 4774 (1991)
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