CoFe/Cu/CoFe/PtMn 다층박막의 자기저항 곡선을 이용한 자기 등방성 특성 분석 Analysis of Magnetic Isotropy Property using Magnetoresistance Curve of CoFe/Cu/CoFe/PtMn Multilayer Film원문보기
PtMn계 스핀밸브(Spin Valve, SV) 다층박막의 하부층 구조를 달리하여 제작된 시료를 열처리 후 측정한 자기저항(magnetoresistance, MR) 곡선과 자기이력 곡선(MH loop)으로부터 얻은 등방성의 자기적 특성을 조사하였다. PtMn층이 없는 스핀밸브 구조의 Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/Ta(4 nm) 다층박막으로 측정한 MR 곡선에서 얻은 교환결합력($H_{ex}$), 보자력($H_c$), 자기저항비(MR(%))는 각각 0 Oe, 약 25 Oe, 3.3 %이었다. Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/PtMn(6 nm)/Ta(4 nm) 다층박막으로 측정한 MR 곡선에서 반강자성체인 PtMn 박막으로 나타낸 효과로 하여금 나비 날개 형태로 얻은 $H_{ex}$, $H_c$, MR(%)는 각각 2 Oe, 316 Oe, 4.4 %이었다. 반강자성체인 PtMn층이 중간층으로 삽입된 이중 GMR-SV 다층박막으로 측정한 MR 곡선과 MH loop에서 얻은 $H_c$는 각각 37.5 Oe과 386 Oe이었으며, MR(%)는 각각 3.5 %와 6.5 %로 2개의 히스테리시스에서 사각비가 뚜렷하게 대칭적으로 나눠져 자기적 특성을 나타내었다. PtMn계 CoFe 스핀밸브 박막의 매우 작은 $H_{ex}$ 값과 미미한 형상이방성을 갖는 효과로 하여금 비등방성을 갖는 자기적 특성을 잃게 되었다. 이러한 결과는 PtMn 박막의 하부층과 상부층에 있는 SV 다층박막에서 각 강자성체의 자화 스핀배열로 일어나는 효과를 나타내었다.
PtMn계 스핀밸브(Spin Valve, SV) 다층박막의 하부층 구조를 달리하여 제작된 시료를 열처리 후 측정한 자기저항(magnetoresistance, MR) 곡선과 자기이력 곡선(MH loop)으로부터 얻은 등방성의 자기적 특성을 조사하였다. PtMn층이 없는 스핀밸브 구조의 Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/Ta(4 nm) 다층박막으로 측정한 MR 곡선에서 얻은 교환결합력($H_{ex}$), 보자력($H_c$), 자기저항비(MR(%))는 각각 0 Oe, 약 25 Oe, 3.3 %이었다. Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/PtMn(6 nm)/Ta(4 nm) 다층박막으로 측정한 MR 곡선에서 반강자성체인 PtMn 박막으로 나타낸 효과로 하여금 나비 날개 형태로 얻은 $H_{ex}$, $H_c$, MR(%)는 각각 2 Oe, 316 Oe, 4.4 %이었다. 반강자성체인 PtMn층이 중간층으로 삽입된 이중 GMR-SV 다층박막으로 측정한 MR 곡선과 MH loop에서 얻은 $H_c$는 각각 37.5 Oe과 386 Oe이었으며, MR(%)는 각각 3.5 %와 6.5 %로 2개의 히스테리시스에서 사각비가 뚜렷하게 대칭적으로 나눠져 자기적 특성을 나타내었다. PtMn계 CoFe 스핀밸브 박막의 매우 작은 $H_{ex}$ 값과 미미한 형상이방성을 갖는 효과로 하여금 비등방성을 갖는 자기적 특성을 잃게 되었다. 이러한 결과는 PtMn 박막의 하부층과 상부층에 있는 SV 다층박막에서 각 강자성체의 자화 스핀배열로 일어나는 효과를 나타내었다.
The magnetic isotropy property from the magnetoresistance (MR) curve and magnetization (MH) loop for the PtMn based spin valve (SV) multilayer films fabricated with different the bottom structure after post-annealing treatment was investigated. The exchange biased coupling field ($H_{ex}$...
The magnetic isotropy property from the magnetoresistance (MR) curve and magnetization (MH) loop for the PtMn based spin valve (SV) multilayer films fabricated with different the bottom structure after post-annealing treatment was investigated. The exchange biased coupling field ($H_{ex}$), coercivity ($H_c$), and MR ratio of Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/Ta(4 nm) SV multilayer film without antiferromagnetic PtMn layer are 0 Oe, 25 Oe, and 3.3 %, respectively. MR curve for the Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/PtMn(6 nm)/Ta(4 nm) SV multilayer film showed $H_{ex}=2Oe$, $H_c=316Oe$, and MR (%) = 4.4 % with one butterfly MR curve having by the effect of antiferromagnetic PtMn layer. MR curve for the dualtype Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/PtMn(6 nm)/CoFe(3 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(6 nm)/Ta(4 nm) SV multilayer film showed $H_c=37.5Oe$ and 386 Oe, MR = 3.5 % and 6.5 % with two butterfly MR curves and square-like hysteresis MH loops. The anisotropy property in CoFe spin valve-PtMn multilayer is neglected by the effects of a very small value of $H_{ex}$ and a very slightly shape magnetic anisotropy. This result is possible to explain the effect of magnetization configuration spin array of the bottom SV film and the top SV film of PtMn layer.
The magnetic isotropy property from the magnetoresistance (MR) curve and magnetization (MH) loop for the PtMn based spin valve (SV) multilayer films fabricated with different the bottom structure after post-annealing treatment was investigated. The exchange biased coupling field ($H_{ex}$), coercivity ($H_c$), and MR ratio of Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/Ta(4 nm) SV multilayer film without antiferromagnetic PtMn layer are 0 Oe, 25 Oe, and 3.3 %, respectively. MR curve for the Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/PtMn(6 nm)/Ta(4 nm) SV multilayer film showed $H_{ex}=2Oe$, $H_c=316Oe$, and MR (%) = 4.4 % with one butterfly MR curve having by the effect of antiferromagnetic PtMn layer. MR curve for the dualtype Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/PtMn(6 nm)/CoFe(3 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(6 nm)/Ta(4 nm) SV multilayer film showed $H_c=37.5Oe$ and 386 Oe, MR = 3.5 % and 6.5 % with two butterfly MR curves and square-like hysteresis MH loops. The anisotropy property in CoFe spin valve-PtMn multilayer is neglected by the effects of a very small value of $H_{ex}$ and a very slightly shape magnetic anisotropy. This result is possible to explain the effect of magnetization configuration spin array of the bottom SV film and the top SV film of PtMn layer.
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문제 정의
PtMn계 스핀밸브 다층박막에서 하부층 구조를 달리하여 제작된 시료를 열처리한 후 이로 자기 이방성이 아닌 자기 등방성을 갖는 자기적 특성을 MR 곡선으로 측정하여 조사하였다. 또한 자기이력 곡선을 분석하여 층간의 자화 스핀배열로 일어나는 효과에 대하여 설명하였다. 반강성체인 PtMn층이없는 순수한 스핀밸브 구조의 Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.
제안 방법
4단자 자기저항 측정 시스템을 이용하여 외부 자기장의 세기에 따른 Major MR 곡선을 측정하였다. GMR-SV 다층박막 시료의 박막 면에 수평 방향으로 외부 자기장을 인가하여 4단자로 전류와 전압을 측정하여 자기저항을 얻었다.
1 mm 두께의 구리판금속 그림자 마스크(shadow mask)를 이용하여 4단자법으로자기저항을 측정하기 위한 다층박막 박막 시료를 증착하였다. 4단자 측정을 위해 패턴된 GMR-SV 다층박막의 폭(width)과 길이(length)를 각각 0.5 mm과 5 mm의 크기가 되게 하였다[13, 14]. 패턴된 GMR-SV 다층박막은 진공 상에서 열처리한후 증착 시 인가한 자기장과 동일한 350 Oe으로 일방향 자기이방성을 유도하였다.
5 × 10−6 Torr인 DC 마그네트론 스퍼터링(DC magnetron sputtering) 시스템을 이용하여 코닝 유리(Corning 7059) 기판 위에 상온에서 각각 제작하였다[9, 10]. GMR-SV 다층박막 시료를 상온에서 제작할 때 인가되는 균일한 자기장의 크기는 영구자석을 이용하여 350 Oe를 유지하였다. 직경 3인치 크기의 Ta, CoFe, Cu와 2인치 크기의 PtMn으로 4개의 각 타겟에서 DC 마그네트론 스퍼터링 증착시 형성되는 플라즈마의 상호 간섭이나 타겟 성분들 간의 혼재를 막기 위해 스테인레스 판 분리막이 사용되었다[11, 12].
4단자 자기저항 측정 시스템을 이용하여 외부 자기장의 세기에 따른 Major MR 곡선을 측정하였다. GMR-SV 다층박막 시료의 박막 면에 수평 방향으로 외부 자기장을 인가하여 4단자로 전류와 전압을 측정하여 자기저항을 얻었다. 자화 용이축 방향으로 측정한 MR 곡선을 통해 GMR-SV 다층박막시료의 교환결합력, 보자력, 자기저항비를 각각 얻었다[13,14].
PtMn계 스핀밸브 다층박막에서 하부층 구조를 달리하여 제작된 시료를 열처리한 후 이로 자기 이방성이 아닌 자기 등방성을 갖는 자기적 특성을 MR 곡선으로 측정하여 조사하였다. 또한 자기이력 곡선을 분석하여 층간의 자화 스핀배열로 일어나는 효과에 대하여 설명하였다.
따라서 본 연구에서는 PtMn계 스핀밸브에서의 하부층 구조를 달리하여 제작된 시료를 열처리한 후 적층된 다층박막을 구조적 정렬로 유도하였다. 다층박막의 시료에 자화 곤란축과 자화 용이축에 따라 4단자법으로 측정한 자기저항(magneto resistance; MR) 곡선으로부터 자기 이방성과 자기등방성을 갖는 자기적 특성을 조사하였으며, MR 곡선과 대응시킨 자기이력 곡선(MH loop)을 분석하여 강자성체 층간의 자화배열에 따른 자기저항 변화에 대한 특성을 조사하였다.
따라서 본 연구에서는 PtMn계 스핀밸브에서의 하부층 구조를 달리하여 제작된 시료를 열처리한 후 적층된 다층박막을 구조적 정렬로 유도하였다. 다층박막의 시료에 자화 곤란축과 자화 용이축에 따라 4단자법으로 측정한 자기저항(magneto resistance; MR) 곡선으로부터 자기 이방성과 자기등방성을 갖는 자기적 특성을 조사하였으며, MR 곡선과 대응시킨 자기이력 곡선(MH loop)을 분석하여 강자성체 층간의 자화배열에 따른 자기저항 변화에 대한 특성을 조사하였다.
자화 용이축 방향으로 측정한 MR 곡선을 통해 GMR-SV 다층박막시료의 교환결합력, 보자력, 자기저항비를 각각 얻었다[13,14]. 또한 자화 곤란축 방향으로 측정한 MR 곡선을 용이축 방향에서 측정한 MR 곡선과 비교 분석하여 자기 이방성과 자기 등방성을 갖는 자기적 특성을 조사하였다.
1 nm/s이었다. 모든 다층박막 구조를 이루는 바닥층의 Ta, 자유층의 CoFe, 고정층의 CoFe, 반강자성층의 PtMn, 보호층의 Ta별로 두께를 각각 10 nm, 6 nm, 3 nm, 6 nm, 4 nm으로 설정하였다. GMR-SV 구조에서 반강자성체인 PtMn 박막과 교환결합한 고정층으로 강자성체인 CoFe 박막과 자유층으로 강자성체인CoFe 박막 사이에 2.
PtMn계 CoFe 스핀밸브 박막의 매우 작은 Hex 값과 미미한 형상 이방성의 효과로 하여금 비등방성을 갖는 자기적 특성을 잃게 되었다. 반강자성체인 PtMn 박막의 하부층에 있는 스핀밸브 다층박막에 대한 자기적 특성을 각 강자성체의 자화 스핀배열로 일어나는 효과를 나타내었다.
GMR-SV 다층박막 시료의 박막 면에 수평 방향으로 외부 자기장을 인가하여 4단자로 전류와 전압을 측정하여 자기저항을 얻었다. 자화 용이축 방향으로 측정한 MR 곡선을 통해 GMR-SV 다층박막시료의 교환결합력, 보자력, 자기저항비를 각각 얻었다[13,14]. 또한 자화 곤란축 방향으로 측정한 MR 곡선을 용이축 방향에서 측정한 MR 곡선과 비교 분석하여 자기 이방성과 자기 등방성을 갖는 자기적 특성을 조사하였다.
5 mm과 5 mm의 크기가 되게 하였다[13, 14]. 패턴된 GMR-SV 다층박막은 진공 상에서 열처리한후 증착 시 인가한 자기장과 동일한 350 Oe으로 일방향 자기이방성을 유도하였다. Fig.
대상 데이터
Fig. 2(a)와 같이 시료 홀더의 양끝에 장착된 영구자석으로 만든 350 Oe의 균일한 자기장 하에서 0.1 mm 두께의 구리판금속 그림자 마스크(shadow mask)를 이용하여 4단자법으로자기저항을 측정하기 위한 다층박막 박막 시료를 증착하였다. 4단자 측정을 위해 패턴된 GMR-SV 다층박막의 폭(width)과 길이(length)를 각각 0.
4가지 유형으로 Type A의 Ta(bottom)/CoFe/PtMn/Ta(top) 이중박막, Type B의 Ta(bottom)/CoFe/Cu/CoFe/Ta(top) 스핀밸브다층박막, Type C의 Ta(bottom)/CoFe/Cu/CoFe/PtMn/Ta(top)단일 PtMn계 GMR-SV 다층박막, Type D의 Ta(bottom)/CoFe/Cu/CoFe/PtMn/CoFe/Cu/CoFe/Ta(top) PtMn계 이중GMR-SV 다층박막을 Fig. 1에 나타내었다. 다층박막 시료는 챔버의 진공도가 2.
모든 다층박막 구조를 이루는 바닥층의 Ta, 자유층의 CoFe, 고정층의 CoFe, 반강자성층의 PtMn, 보호층의 Ta별로 두께를 각각 10 nm, 6 nm, 3 nm, 6 nm, 4 nm으로 설정하였다. GMR-SV 구조에서 반강자성체인 PtMn 박막과 교환결합한 고정층으로 강자성체인 CoFe 박막과 자유층으로 강자성체인CoFe 박막 사이에 2.5 nm 두께의 Cu 박막을 증착하였다.
다층박막 시료는 챔버의 진공도가 2.5 × 10−6 Torr인 DC 마그네트론 스퍼터링(DC magnetron sputtering) 시스템을 이용하여 코닝 유리(Corning 7059) 기판 위에 상온에서 각각 제작하였다[9, 10].
GMR-SV 다층박막 시료를 상온에서 제작할 때 인가되는 균일한 자기장의 크기는 영구자석을 이용하여 350 Oe를 유지하였다. 직경 3인치 크기의 Ta, CoFe, Cu와 2인치 크기의 PtMn으로 4개의 각 타겟에서 DC 마그네트론 스퍼터링 증착시 형성되는 플라즈마의 상호 간섭이나 타겟 성분들 간의 혼재를 막기 위해 스테인레스 판 분리막이 사용되었다[11, 12]. 합금형 강자성체로 CoFe 타겟의 원자 성분비(atomic ratio)와 반강자성체로 PtMn 타겟의 무게 성분비(weight ratio)는 각각81 : 19와 50 : 50이었다.
성능/효과
5(c)에서 강자성체인 CoFe층을 표시한 화살표는 반강자성체인 PtMn 박막을 중간으로 하여 하부층 스핀밸브 다층박막과 상부층 스핀밸브 다층박막에 따라 변화된 각 강자성체의 자화 스핀배열을 나타낸 것이다. 각 강자성체인 CoFe층의 스핀배열들이 반평행일 때 MR(%)는 최대값을 가지고 평행일 때 최소값을 보여주었다.
5 %의 값을 보여주었다. 그리고 반강자성체의 PtMn 박막이 삽입된 GMR-SV 구조의 Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/PtMn(6 nm)/Ta(4 nm) 다층박막으로 측정한 MR곡선에서 반강자성체인 PtMn 박막으로 나타낸 효과로 하여금나비 날개 형태로 얻은 Hex, Hc, MR(%)는 각각 2 Oe, 316Oe, 4.4 %의 값을 보여주었다.
5 Oe으로 사각비가 뚜렷한 히스테르시스를 나타내고 있다. 물론 단일 GMR-SV 다층박막 구조에서 나타낸 바와 같이 이중 GMR-SV 다층박막 구조에서도 Hex가 일어나지 않는 MH loop를 확인할 수 있었다. 중앙에서 일어난 Hc가 작은 MH loop로 나타낸 히스테리시스는 PtMn 박막의 상부층에 있는 스핀밸브 다층박막에서 효과를 보여주었다.
또한 자기이력 곡선을 분석하여 층간의 자화 스핀배열로 일어나는 효과에 대하여 설명하였다. 반강성체인 PtMn층이없는 순수한 스핀밸브 구조의 Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.5 nm)/CoFe(3 nm)/Ta(4 nm) 다층박막으로 측정한 MR곡선에서 얻은 Hex, Hc, MR(%)는 각각 0 Oe, 49 Oe, 3.5 %의 값을 보여주었다. 그리고 반강자성체의 PtMn 박막이 삽입된 GMR-SV 구조의 Glass/Ta(10 nm)/CoFe(6 nm)/Cu(2.
3(b), 3(c), 3(d)에서 언급한 Hex, Hc, MR(%)가 거의 동일한 값을 보여주었다. 반강자성체인 PtMn 박막을 기반으로 하여 이루어진 GMR-SV 다층박막의 자기적 특성은 자화 용이축과 자화 곤란축으로 측정한 방향과 상관없이 자기 등방성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과는 자화 용이축과 자화 곤란축이 아닌 45o 일 때도 같은 결과의 MR 곡선이 0o에서 360o까지 자기 등방성에 대한 특성을 유지하고 있었다.
반강자성체인 PtMn 박막이 중간층으로 삽입된 이중 GMRSV 다층박막으로 MR 곡선과 MH loop에서 얻은 Hc와 MR(%)는 각각 386 Oe과 6.5 %로 히스테리시스에서 사각비를 뚜렷하게 대칭적으로 2개의 형태로 나누어 자기적 특성을 나타내었지만 중심에서 또 하나의 Hc과 MR(%)는 각각37.5 Oe과 3.5 %으로 히스테리시스에서 사각비를 뚜렷하게 나타내었다. PtMn계 CoFe 스핀밸브 박막의 매우 작은 Hex 값과 미미한 형상 이방성의 효과로 하여금 비등방성을 갖는 자기적 특성을 잃게 되었다.
, MR(%)의 결과를 요약한 것이다. 반강자성체인 PtMn층과 강자성체인 CoFe층에서 자기 이방성의 Hex는 유도하지 않고 모든 박막 구조는 자기 등방성을 유지하고 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PtMn계 스핀밸브 구조의 장점은?
IrMn계와 마찬가지로 PtMn계 스핀밸브 구조는 우수한 내식성과 높은 교환 이방성뿐만 아니라 열적 거침(thermalasperity)이 낮아 안정성이 우수하다. 또한 소자 공정 시 발생하기 쉬운 정전기 방전 특성이 IrMn계 스핀밸브보다 우수한 것으로 보고되어 있다[3-5].
반강자성체에는 어떤 것들이 있는가?
이에 대한 열적 안정성이 우수한 GMR-SV 다층박막 구조의 형성이 필요하다. GMR-SV 다층박막 구조에서 강자성체와 교환바이어스 결합으로 고정층의 역할을 하는 반강자성체로는 NiO, FeMn, IrMn, PtMn이 있다[1-4]. 그 중에서 우수한 내식성과 높은 교환 이방성을 갖는 IrMn계 스핀밸브 구조가 전형적으로 많이 사용되고 있다[2, 3].
PtMn계 CoFe 스핀밸브 박막이 자기적 특성을 잃게 됨에 따라 나타나는 효과는?
PtMn계 CoFe 스핀밸브 박막의 매우 작은 $H_{ex}$ 값과 미미한 형상이방성을 갖는 효과로 하여금 비등방성을 갖는 자기적 특성을 잃게 되었다. 이러한 결과는 PtMn 박막의 하부층과 상부층에 있는 SV 다층박막에서 각 강자성체의 자화 스핀배열로 일어나는 효과를 나타내었다.
참고문헌 (16)
M. D. Cubells-Beltran, C. Reig, J. Madrenas, A. D. Marcellis, J. Santos, S. Cardoso, and P. P. Freitas, Sensors 16, 939 (2016).
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