CoPt/FeMn 접합 구조의 보자력과 수직 교환 바이어스 :Coercivity and perpendicular exchange bias in CoPt/FeMn junction structures

전민석

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자료유형: 학위논문

저자정보: 전민석 (경북대학교, 경북대학교 대학원)

지도교수: 도중회

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

다양한 FeMn 두께를 갖는 FeMn/[Pt/Co]₃ 박막에서 수직 교환바이어스와 보자력

전민석 , 도중회 새물리 2022.01 학술저널

2021

CoPt/FeMn 접합 구조의 보자력과 수직 교환 바이어스

전민석 물리학과 2021.01 학위논문

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반강자성인 FeMn과 수직 자기 이방성을 보이는 [Co/Pt]3 강자성 박막에서 온도에 따른 보자력과 수직 교환 바이어스를 연구하였다. 이를 위해 먼저 Pt/[Co/Pt]n 구조에서 Pt의 두께, Co 두께, 반복 횟수 n을 변화시키고 수직 방향 자기 이력 곡선 특성을 분석하였다. 본 연구에 적합한 자기 이력 곡선의 형태는 잔류 자화가 1에 가깝고 사각형 모양이 뚜렷하며 자화의 포화 현상이 완만하게 일어나면서 보이는 테일이 없을수록 좋다고 판단하였다. 이러한 관점에서 자기 이력 곡선은 Co 두께가 0.6 nm일 때, Pt 두께가 2.25 nm일 때 반복 횟수는 2회일때 가장 좋은 특성이었다. 다음은 FeMn와 접합된 Co/Pt에서 온도에 따른 보자력과 수직 교환 바이어스를 관찰하였다. 먼저 어떠한 접합 구조가 교환 바이어스 연구에 적합한 알아보기 위해 Pt 위에 FeMn을 증착한 접합 구조와 Co 위에 FeMn을 증착한 접합 구조를 만들었다. 그 결과 FeMn과 Co사이에 있는 Pt의 존재 여부에 따라 수직 자기 이방성이나 수평 자기 이방성을 보였다. 즉 Pt 삽입층이 있으므로 인해 수직 자기 이방성이 약해지지 않고 특성을 보유하는데 긍정적인 영향을 준다는 사실을 알 수 있었다. FeMn/[Pt/Co]3 접합 구조에서 FeMn 두께를 5 nm ~ 20 nm까지 변화시키며 보자력과 수직 교환 바이어스를 연구하였다. 온도를 450 K까지 올린 뒤 5 kOe의 자기장을 걸며 자기장 하에서 냉각 후 18 K에서 온도를 서서히 올리며 10 K 단위로 보자력과 수직 교환 바이어스를 측정하였다. 수직 교환 바이어스는 FeMn이 5 nm일때는 거의 관찰되지 않았으나, FeMn 두께가 10 nm가 될 때까지 증가하다 그 이상의 두께에서 오히려 감소하였다. FeMn의 두께가 10 nm일 때 20 K 가장 큰 수직 교환 바이어스를 보였으며 크기는 약 200 Oe 정도였다. 기존의 연구에 따르면 FeMn 두께가 8 nm까지 수직 교환 바이어스가 증가함이 밝혀져 있다. 이를 통해 FeMn 두께가 두꺼워질수록 수직 교환 바이어스가 계속해서 증가하는 것은 아님을 알 수 있었다. 온도가 증가할수록 보자력과 수직 교환 바이어스는 감소하는 경향을 보였으며 보자력은 FeMn과 접합하지 않는 Co/Pt 시료와 비교하여 FeMn과 접합된 Co/Pt 시료에서 약간 작은 값을 나타냈다. 끝으로, 보자력의 온도 의존성을 넬러 모형으로 통해 맞춤하고 각 맞춤계수를 구하였다.

Junction structures of antiferromagnetic FeMn and ferromagnetic [Co/Pt]3 (CoPt), which show perpendicular magnetic anisotropy, have been prepared by a sputtering technique and their temperature dependences of perpendicular exchange bias and coercivity have been studied. First, the perpendicular magnetic anisotropy property in Pt/[Co/Pt]n films with the changes of Co thickness, Pt thickness, the repetition number n have been studied. The magnetic hysteresis loop with a good perpendicular magnetic anisotropy is expected to show a normalized remanent magnetization of nearly 1, a square shape, and a short magnetization tail around a saturation field. The optimal deposition condition for this work was thought to be Co thickness of 0.6 nm, Pt thickness of 2.25 nm and the repetition number of n = 2. In order to investigate which junction structure is better for this work, a FeMn layer was deposited on Pt top CoPt multilayer or on Co top CoPt multilayer. The Pt top junction structure showed a perpendicular magnetic anisotropy regardless of the presence of FeMn, but the Co top junction structure displayed an in-plane magnetic anisotropy after the deposition of FeMn. This result suggests that the existence of Pt spacer between Co layer and FeMn layer is effective to keep the perpendicular magnetic anisotropy of CoPt.
In FeMn/CoPt junctions with the FeMn thickness from 5 nm to 20 nm, temperature dependences of perpendicular exchange bias and coercivity have been studied. For this experiment, the samples were heated up to 450 K and then the magnetic field of 5 kOe was applied. After then, the samples were cooled down to 18 K, and upon heating up to 400 K the MOKE hysteresis loops were measured at temperatures with every 10 K increment. At the sample with the 5 nm thick FeMn, there is no perpendicular exchange bias. As the FeMn thickness increased up to 10 nm, the perpendicular exchange bias of CoPt layer at 20 K increased, but a further increment of FeMn thickness induced a decrease of the perpendicular exchange bias. The perpendicular exchange bias was maximally 220 Oe in the sample with the 10 nm thick FeMn, and in all samples it gradually decreased with increasing the temperature. Previously, it was reported that the perpendicular exchange bias increased with the increase of FeMn thickness up to 8 nm. On the other hand, this work demonstrated that the perpendicular exchange bias decreases above the FeMn thickness of 10 nm. The blocking temperature, which the exchange bias disappears, with the FeMn thickness displayed a similar tendency with the magnitude of perpendicular exchange bias with FeMn thickness.
In addition, the coercivity of CoPt layer also decreased with increasing the temperature and it showed a decrease tendency with increasing the FeMn thickness. The FeMn/CoPt junctions exhibited a smaller coercivity than the CoPt film without contacting with a FeMn layer. A superparamagnetic blocking temperature, which shows a nearly zero coercivity but a saturation behavior, also decreased with increasing the FeMn thickness. Temperature dependence of coercivity in FeMn/CoPt samples could be fitted by the so-called Kneller’s model. Finally, magnetic domain patterns in the magnetization reversal process were observed by a MOKE microscopy, and a clearly different domain evolution was observed in the CoPt layers coupled with FeMn layer in comparison to the CoPt layer without contacting with a FeMn layer.

1. 서론 1
2. 연구배경 3
2.1. 기존 연구 4
2.2. 자성체 물질의 스핀 정렬 9
2.2.1. 강자성 및 자기 이력 곡선 9
2.2.2. 반강자성 11
2.3. 자기 이방성 12
2.4. 교환 바이어스(exchange bias) 15
2.4.1. 교환 바이어스에 영향을 주는 요인 18
2.4.2. Meiklejohn and Bean 모델 19
2.4.3. Malozemoff random field 모델 21
2.4.4. Domain state 모델 23
2.5. 자기 이방성 에너지 장벽 24
2.6. 넬러의 모형 25
3. 시료 제작 및 측정 방법 26
3.1. Co/Pt 박막 26
3.2. FeMn/[Co/Pt] 박막 26
3.3. 자기 광학 커 효과 측정 장치 28
4. 실험 결과 및 분석 31
4.1. Co/Pt 박막의 자기 이력 곡선 31
4.1.1. Co/Pt 박막의 최적 조건 31
4.1.2. Co/Pt 박막의 온도에 따른 특성 40
4.2. 수직 교환 바이어스 42
4.2.1. FeMn과의 접합이 Co/Pt의 자기 이방성에 미치는 영향 42
4.2.2. FeMn 위치에 따른 자기 이력 곡선 43
4.2.3. 온도에 따른 FeMn/[Co/Pt]의 수직 교환 바이어스 변화 44
4.2.3.(a) 5 nm 두께의 FeMn과 결합된 Co/Pt의 수직 교환 바이어스 45
4.2.3.(b) 7.5 nm 두께의 FeMn과 결합된 Co/Pt의 수직 교환 바이어스 47
4.2.3.(c) 10 nm 두께의 FeMn과 결합된 Co/Pt의 수직 교환 바이어스 48
4.2.3.(d) 12.5 nm 두께의 FeMn과 결합된 Co/Pt의 수직 교환 바이어스 50
4.2.3.(e) 20 nm 두께의 FeMn과 결합된 Co/Pt의 수직 교환 바이어스 51
4.2.3.(f) FeMn 두께에 따른 Co/Pt의 수직 교환 바이어스 크기 53
4.2.3.(g) FeMn 두께에 따른 블로킹 온도 54
4.2.4. 두께와 온도에 따른 FeMn/[Co/Pt]의 보자력 55
4.2.4.(a) 상온에서의 FeMn 두께에 따른 [Co/Pt]의 보자력 55
4.2.4.(b) 온도에 따른 FeMn/[Co/Pt]의 보자력 57
4.2.4.(c) 보자력의 온도 의존성에 대한 넬러 모형 맞춤 58
4.2.4.(d) 초상자성 블로킹 온도 60
4.2.5. FeMn 증착 전후의 자기 구역 형상 변화 61
5. 결론 64
참고문헌 67
영문초록 75

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