[논문]Nb 버퍼층과 거대자기저항-스핀밸브 하이브리드 다층박막의 자기저항 특성

양우일; 최종구; 이상석

doi:10.4283/jkms.2017.27.3.082

Nb 버퍼층과 거대자기저항-스핀밸브 하이브리드 다층박막의 자기저항 특성
Magnetoresistance Properties of Hybrid GMR-SV Films with Nb Buffer Layers 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.27 no.3, 2017년, pp.82 - 86

양우일 (상지대학교 응용물리전자학과) , 최종구 (상지대학교 한방의료공학과) , 이상석 (상지대학교 한방의료공학과)

초록
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Corning glass 위에 형태별로 서로 다른 버퍼층(Ta, Nb, $Nb_3Al$)을 삽입하여 IrMn을 기반으로 한 거대자기저항-스핀밸브(GMR-SV) 다층박막을 이온빔 증착 시스템과 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 제조하였다. 버퍼층이 다른 3가지 형태의 GMR-SV 다층박막 구조에 대해 열처리 전에 측정한 major 및 minor 자기저항(MR) 곡선에서 나타난 자기저항 특성은 형태별로 서로 다른 결과를 보여주었다. 3가지 형태의 GMR-SV 다층박막을 진공 상태에서 $250^{\circ}C$로 열처리 한 결과, 고정층의 교환결합세기를 제외한 모든 자기저항 특성이 대체적으로 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The IrMn based GMR-SV films with three different buffer layers were prepared on Corning glass by using ion beam deposition and DC magnetron sputtering method. The major and minor magnetoresistance curves for three different buffer layers beneath the structure of NiFe(15 nm)/CoFe(5 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(5 nm)/NiFe(7 nm)/IrMn(10 nm)/Ta(5 nm) at room temperature have shown different magnetoresistance properties. When the samples were annealed at $250^{\circ}C$ in vacuum, the magnetoresistance ratio, the coercivity of pinned ferromagnetic layer, and the interlayer coupling field of free ferromagnetic layer were enhanced while the exchange bias coupling field did not show noticeable changes.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Al 박막으로 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층을 갖는 IrMn을 기반으로 한 GMR-SV 박막을 제조하였다. 3가지 형태의 시료에서 측정한 자기저항 곡선으로부터 자기저항비 및 교환결합세기 특성을 조사하였다.
)을 상온에서 측정한 major 자기저항(magnetoresistance, MR) 곡선으로부터 구하였다. Cu층을 사이에 둔 샌드위치형으로 배열된 강자성체의 고정층과 자유층(free layer)에 작용하는 상호교환결합력(interlayer exchange coupling field, H_int)과 자유층의 H_c를 minor MR 곡선으로부터 구하였다. 그리고 4-단자법 자기저항 측정 시스템으로 측정된 자화 용이축의 major 및 minor MR 곡선으로부터 자기저항비(magnetoresistance ratio, MR(%))를 구하였다.
1 nm)를 교대로 증착하여 20층의 적층 구조를 가지는 초격자 박막으로 형성하였다. Nb₃Al층이 초격자 박막 구조로 되어 있지만 균일한 확산 효과로 인한 초전도 특성을 갖기 위하여 진공 상태에서 열처리를 진행하였다. 열처리 전과 열처리 후의 특성을 비교하여 관찰하기 위해 각 박막 시료에 대한 열처리는 5.
Ta, Nb, Nb₃Al 등 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층을 갖는 IrMn을 기반으로 한 GMR-SV 다층박막을 Corning glass 위에 이온빔 증착 시스템과 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템으로 제조하여 자기저항 특성을 조사하였다. Buffer layer/ NiFe(15 nm)/CoFe(5 nm)/Cu(2.
Cu층을 사이에 둔 샌드위치형으로 배열된 강자성체의 고정층과 자유층(free layer)에 작용하는 상호교환결합력(interlayer exchange coupling field, H_int)과 자유층의 H_c를 minor MR 곡선으로부터 구하였다. 그리고 4-단자법 자기저항 측정 시스템으로 측정된 자화 용이축의 major 및 minor MR 곡선으로부터 자기저항비(magnetoresistance ratio, MR(%))를 구하였다.
증착된 합금 박막은 EDS(energy dispersive spectrum)으로 분석한 결과, 박막과 타겟의 원자 성분비는 2 % 이내로 거의 일치하였다. 모든 자성체의 시료는 증착 시 자기장 350 Oe크기를 갖는 영구자석을 이용하여 일축이방성을 유도하였다. 제작된 모든 박막의 두께는 챔버 내 시료 홀더에 근접한 위치에 장착된 수정 발진자 두께 모니터(quartz crystal oscillator thickness monitor)를 사용하여 결정하였다[7].
반강자성체의 IrMn층과 계면 이웃한 강자성체의 고정층(pinned layer)의 교환결합력(exchange bias coupling field, H_ex)과 보자력(coercivity, H_c)을 상온에서 측정한 major 자기저항(magnetoresistance, MR) 곡선으로부터 구하였다. Cu층을 사이에 둔 샌드위치형으로 배열된 강자성체의 고정층과 자유층(free layer)에 작용하는 상호교환결합력(interlayer exchange coupling field, H_int)과 자유층의 H_c를 minor MR 곡선으로부터 구하였다.
본 연구에서는 Ta 박막, 임계온도 이하에서 저온 초전도체의 Nb 박막, Nb₃Al 박막으로 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층을 갖는 IrMn을 기반으로 한 GMR-SV 박막을 제조하였다. 3가지 형태의 시료에서 측정한 자기저항 곡선으로부터 자기저항비 및 교환결합세기 특성을 조사하였다.
Major MR 곡선과 비슷한 크기의 자기저항비(MR(%))를 유지하고 있음을 알 수 있다. 비자성체의 Cu층을 두고 버퍼층 바로 위에 위치한 자유층의 NiFe(15 nm)/ CoFe(5 nm)과 고정층의 CoFe(5 nm)/NiFe(7 nm)/IrMn(10 nm)간 상호교환결합력(H_int)과 자유층의 보자력(H_c)을 자세하게 관찰하였다. Ta 버퍼층일 때 H_int = 7.
major MR 곡선과 비슷한 크기의 MR(%)를 유지하고 있음을 알 수 있다. 비자성체의 Cu층을 두고 버퍼층 바로 위에 위치한 자유층의 NiFe(15 nm)/CoFe(5 nm)과 고정층의 CoFe(5 nm)/NiFe(7 nm)/IrMn(10 nm) 간의 상호교환결합력(H_int)와 자유층의 보자력(H_c)은 열처리 후, 계면 산란효과로 인하여 자기저항 특성이 향상되는 결과를 관찰하였다. Ta 버퍼층일 때 H_int =5.
앞서 설명한 IrMn를 기반으로 한 GMR-SV 다층박막 구조를 갖는 3가지 형태의 GMR-SV 다층박막을 진공챔버 내 1 kOe의 균일한 외부자기장 하에서 250 oC으로 1시간 동안 후 열처리하였다[14, 16, 17]. 열처리 후 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층을 갖는 major MR 곡선을 Fig.
열처리 전과 열처리 후의 특성을 비교하여 관찰하기 위해 각 박막 시료에 대한 열처리는 5.0 × 10−6 Torr의 진공 상태로 1 kOe 자기장 하에서 원하는 열처리 온도를 유지한 채 1시간씩 머물렀다.
모든 자성체의 시료는 증착 시 자기장 350 Oe크기를 갖는 영구자석을 이용하여 일축이방성을 유도하였다. 제작된 모든 박막의 두께는 챔버 내 시료 홀더에 근접한 위치에 장착된 수정 발진자 두께 모니터(quartz crystal oscillator thickness monitor)를 사용하여 결정하였다[7].

대상 데이터

03 nm/s이다. 사용된 1인치와 3인치 그리고 직경 3 mm 두께의 원판형 Ta, Nb, Al, NiFe, CoFe, Cu, IrMn 타켓은 4N 순도를 가지고 있으며, 합금 타겟의 원자 성분비는 각각 Ni₈₀Fe₂₀, Co₈₁Fe₁₉, Ir₂₂Mn₇₈이다.
6개의 3-인치 타겟과 3개의 1-인치 타겟이 동시에 장착된 초고진공(ultrahigh vacuum; UHV) 이온빔 시스템은 기본 진공도가 1 × 10⁻⁷Torr 이다. 사용한 이온 건과 클러스터 스퍼터링 건은 각각 직경 3 cm 탄소판 그리드(grid)를 갖는 카프만 소스(Kaufman source)와 직경 1인치 타겟 크기를 감싸는 마그네트론 소스이다[4, 8, 9].

성능/효과

일반적으로 Nb 박막은 두께가 10 nm 이상일 경우에는 초전도 특성을 갖고 있어서 버퍼층으로 적당한 두께를 유지할 수 있게 된다. Nb 박막의 두께에 따른 효과는 상온에서 강자성체로 교환결합세기 없이 보자력을 유지하다가 어떤 특정한 Nb 박막의 두께에서 강자성체와 반강자성체 간 계면에서 발생하는 한쪽 방향으로 치우친 교환결합세기의 형태로 넘어가는 단계형 히스테리시스 특성을 갖는 결과를 보여주었다.
Ta, Nb와 Nb₃Al 박막을 버퍼층으로 삽입한 서로 다른 3가지 형태의 GMR-SV 다층박막의 자기저항비(MR(%)), 고정층의 보자력(H_c), 자유층의 보자력(H_c), 상호교환결합세기(H_int)가 열처리 후에 비슷한 비율로 향상되고 있음을 알 수 있다. 따라서, Nb계 박막이 IrMn층의 반강자성체 특성을 유지하는 결정형 seed 버퍼층의 역할을 충분히 하고 있어서 IrMn을 기반으로한 GMR-SV 다층박막 구조의 자기저항 특성을 유지하고 있음을 보여준 결과라 할 수 있다.
Table I은 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층을 갖는 GMRSV 다층박막 구조에 대한 MR-SV형 major 및 minor MR 곡선에서 자기저항 특성을 요약한 것이다. 앞에서 언급하였듯이 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층이 열처리 전에는 서로 다른 특성을 가지고 있었으나 열처리 후에는 층간의 계면 활성화로 고정층의 교환결합세기를 제외한 자기저항비(MR(%)), 자기감응도(MS), 보자력(H_c), 상호교환결합세기(H_int)는 향상된 자기저항 특성을 띠고 있음을 알 수 있다. Ta, Nb와 Nb₃Al 박막을 버퍼층으로 삽입한 서로 다른 3가지 형태의 GMR-SV 다층박막의 자기저항비(MR(%)), 고정층의 보자력(H_c), 자유층의 보자력(H_c), 상호교환결합세기(H_int)가 열처리 후에 비슷한 비율로 향상되고 있음을 알 수 있다.
5 m)/CoFe(5 nm)/NiFe(7 nm)/IrMn(10 nm)/Ta(5 nm) 다층박막 구조에 대한 major 및 minor MR 곡선에서 열처리 전에는 서로 다른 자기저항 특성을 가지고 있었다. 열처리 후에는 고정층의 교환결합세기와 보자력, 자유층의 교환결합세기는 감소하였고 자유층의 보자력은 다소 증가하여 자기저항 특성이 대체적으로 향상되었다. Ta 박막과 Nb계 박막을 버퍼층으로 사용한 경우 IrMn을 기반으로 한 GMR-SV 다층박막 구조가 열처리 후에는 안정된 자기저항 특성을 유지함을 보였다.
증착된 합금 박막은 EDS(energy dispersive spectrum)으로 분석한 결과, 박막과 타겟의 원자 성분비는 2 % 이내로 거의 일치하였다. 모든 자성체의 시료는 증착 시 자기장 350 Oe크기를 갖는 영구자석을 이용하여 일축이방성을 유도하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거대자기저항 박막의 자기센서는 무엇을 측정 가능한가?	수십 년 간 0.1 mOe 정도의 자장변화량을 측정 가능한 감도를 갖는 거대자기저항(giant magnetoresistance spin-valve, GMR-SV) 박막의 자기센서들이 개발되었다. 수 µm의 자성 비드(bead)와 수십 nm의 나노 자성입자까지도 극소형 자기센서 개발기술과 의료용 센서 용용기술을 적용하여 검출할 수 있게 되었다[1-3].
	하이브리드 박막 구조에 Nb박막 사용 시 어떤 특성을 갖는가?	일반적으로 Nb 박막은 두께가 10 nm 이상일 경우에는 초전도 특성을 갖고 있어서 버퍼층으로 적당한 두께를 유지할 수 있게 된다. Nb 박막의 두께에 따른 효과는 상온에서 강자성체로 교환결합세기 없이 보자력을 유지하다가 어떤 특정한 Nb 박막의 두께에서 강자성체와 반강자성체 간 계면에서 발생하는 한쪽 방향으로 치우친 교환결합세기의 형태로 넘어가는 단계형 히스테리시스 특성을 갖는 결과를 보여주었다.
	IrMn을 기반으로 한 GMR-SV 다층박막 구조의 일반적인 형태는 무엇인가?	IrMn을 기반으로 한 GMR-SV 다층박막 구조의 일반적인 형태로는 반강자성체인 IrMn층과 인접한 강자성체(ferromagnetic)의 고정층(pinned layer)에 충분히 큰 교환결합세기를 유지하게 된다. 비자성체인 Cu층을 사이에 둔 샌드위치 구조의 고정층과 자유층(free layer)은 두 강자성체 간 스핀 배열이 평행과 반평행일 때 스핀 의존 산란(spin dependent scattering)에 의한 거대자기저항이 발생하게 된다[4-6].

참고문헌 (17)

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A. K. Singh and J. H. Hsu, J. Magn. Magn. Mater. 432, 96 (2017).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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