npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
Qrcode

Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 355-359

Published online May 31, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.355

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

A Study on the Temperature Dependence of Exchange Bias on the Planar Hall Effect of NiFe/IrMn Bilayer

Eui Young Choi1, Ji Ho Kim1, Ji Won Seo1*, Ah-Yeon Lee2, Seung Young Park2, Sang-Suk Lee3

1Department of Physics and Engineering Physics, Yonsei University, Wonju 26493, Korea
2Korea Basic Science Institute, Daejeon 34133, Korea
3Department of Oriental Biomedical Engineering, College of Health Sciences, Sangji University, Wonju 26339, Korea

Correspondence to:*E-mail: jiwonseo@yonsei.ac.kr

Received: October 25, 2021; Revised: November 1, 2021; Accepted: November 1, 2021

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

We analyzed the correlation between the planar Hall effect and the exchange bias according to the temperature in the NiFe/IrMn layered structure. As a result, it was confirmed that the temperature dependence of the exchange bias caused by the spin structure of IrMn determines the sensor sensitivity of the planar Hall effect. Above the critical temperature, the magnetic anisotropic property decreases as the temperature increases owing to thermal fluctuation; accordingly, the sensor sensitivity of the planar Hall effect decreases. By contrast, at low temperatures near 3 K, the exchange bias rapidly increases owing to the spin glass phenomenon caused by IrMn; thus, the sensor sensitivity of the planar Hall effect rapidly decreases. Our fundamental research on exchange bias, an important factor in determining the sensitivity of planar Hall sensors, is expected to help design more capable planar Hall sensors.

Keywords: NiFe/IrMn bilayer, Planar Hall effect, Exchange bias, Temperature dependence

우리는 NiFe/IrMn 겹층 구조에서 온도에 따른 평면 홀 효과와 교환바이어스의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, IrMn의 스핀 구조에 의해서 유발되는 교환바이어스의 온도에 따른 의존도가 평면 홀 효과의 센서 감도를 좌우한다는 것을 확인하였다. 임계온도이상에서는 열요동에 의해서 온도가 증가하면서 자기 비등방성은 감소하며, 이에 따라서 평면 홀 효과 센서 감도는 감소한다. 반면에, 3 K 부근의 저온에서는 IrMn에 의한 스핀 글라스 현상에 의해 교환바이어스가 급격히 커지고, 이로 인해 평면 홀 효과의 센서 감도는 급격히 감소한다. 평면 홀 센서 감도를 결정하는 중요한 요소인 교환바이어스에 대한 우리의 근본적인 연구는 더욱 성능이 좋은 평면 홀 센서를 디자인하는데 도움을 주리라 기대한다.

Keywords: NiFe/IrMn 겹층 구조, 평면 홀 효과, 교환바이어스, 온도 의존성

평면 홀 효과(planar Hall effect, PHE)는 표면에 평행하게 인가한 외부 자기장의 방향 또는 세기에 의해서 전류의 수직 방향으로의 전압강하가 달라지는 현상을 말한다. 평면 홀 효과는 비등방성 자기저항효과(anisotropic magnetoresistance)보다 낮은 오프셋 전압과 높은 신호 잡음비 등의 장점을 가지고 있어서 바이오 자기 신호와 같이 아주 약한 자기장 신호를 측정하는 센서로 이용되고 있다[1-4]. 평면 홀 효과를 이용한 자기장 센서(planar Hall sensor)는 기본적으로 강자성/반강자성 겹층 구조로 이루어지는데, 이는 교환바이어스(exchange bias)가 평면 홀 센서에서 중요한 역할을 하기 때문이다. 외부자기장이 자화 용이축(easy axis)에 수직인 방향으로 인가되면 외부 자기장의 세기에 따라서 자화가 회전한다. 이 때, 강자성체 단일막의 경우에는 자화의 회전이 360°까지 가능하기 때문에 평면 홀 효과는 외부자기장의 세기 변화(sweep) 방향에 따라서 반전되어 나타난다[2-4]. 교환바이어스는 자화의 회전을 180°로 제한하여 자기장의 sweep 방향에 따른 평면 홀 효과의 반전을 없애고, 자기장 센서의 신뢰도를 높이는 역할을 한다[2-4].

이처럼, 교환바이어스는 평면 홀 효과에 있어서 아주 중요한 역할을 함에도 불구하고, 평면 홀 효과와 교환바이어스의 상관관계에 대한 연구는 미비하다. 우리는 강자성/반강자성 겹층 구조인 NiFe/IrMn 구조에서 온도에 따른 교환바이어스의 변화가 평면 홀 효과에 어떤 영향을 미치는지 조사하였다.

이번 연구에서 사용한 Ta(5 nm)/NiFe(3 nm)/IrMn(90 nm) 겹층 박막은 1000 Å 두께의 산화층(SiO2)이 형성된 Silicon 기판 위에 홀 바(Hall bar) 패턴의 마스크를 놓고, DC/RF magnetic plasma sputtering 시스템을 사용하여 증착하였다 (Fig. 1). 박막 증착 시 시스템의 초기 진공상태는 3.0 × 10-6 torr 이하로 유지하였다. 자화 용이축을 원하는 방향으로 제작하기 위해 증착 타겟의 양쪽에 300 Oe 세기의 영구자석을 두고 상온에서 증착을 진행하였다. Ar 가스를 이용하여 플라즈마를 형성하였고, 증착 진행중의 압력은 2.5 × 10-3 torr 로 유지하였다. 제작된 샘플의 홀 바 패턴의 선 폭은 0.5 mm 이고, 크기는 가로 7 mm, 세로 5 mm 이다.

Figure 1. (Color online) Schematic illustrations for NiFe/IrMn bilayer structure and planar Hall measurement configuration.

Figure 1과 같이, 샘플 표면에 평행하면서 자화 용이축에 수직인 방향인 자화 어려움축(hard axis)으로 외부자기장과 전류를 인가하면서, 전류에 수직인 방향으로의 전압강하를 측정하였다. 이를 평면 홀 전압(planar Hall voltage, PHV) 이라고 하며, 이 때 측정된 평면 홀 전압을 인가한 전류로 나누어 평면 홀 저항(planar Hall resistance, PHR)으로 나타냈다. 포화된 상태의 PHR 값 (PHRsat) 을 기준으로 PHR 변화량을 구하여, ΔPHR = PHR - PHRsat, Fig. 2에 나타냈다.

Figure 2. (Color online) Planar Hall resistance of NiFe/IrMn bilayer measured at (a) 287 K, (b) 200 K, (c) 100 K, and (d) 3 K. The black and red arrows indicate the downward and upward directions of the magnetic field sweep, respectively, and the colors of the curves are distinguished accordingly.

Figure 2에서의 화살표는 외부 자기장의 sweep 방향을 나타낸다. Figure 2(a)에서 보이는 것처럼, 상온의 경우에는 외부 자기장의 sweep 방향에 따라서 ΔPHR 곡선이 수 Oe 이내로 큰 차이가 없는 전형적인 ΔPHR 곡선이 관측되었다. 외부 자기장의 sweep 방향에 따라서 약간의 차이가 보이는데, 다른 온도에 비하여 상당히 작고 측정 한계 오차이기 때문에 무시할 수 있다. 그러나, 온도가 200 K와 100 K로 감소하면서, Fig. 2(b)와 Fig. 2(c)처럼 외부자기장의 sweep 방향에 따라서 ΔPHR 곡선은 차이가 나기 시작한다. 온도가 3 K에 도달하면 (Fig. 2(d)), 그 차이가 확연히 나타나는 이력 곡선을 관측할 수 있다. 이와 같은 평면 홀 효과에서의 이력 곡선은 자화 반전(magnetization reversal)[5] 또는, 자기 이력 곡선과 관련이 있다[6]. 이는 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)를 이용하여 측정한 자기 이력 곡선을 통하여 증명할 수 있으며, 뒤에서 살펴보겠다.

평면 홀 효과의 자기장 센서로서의 성능을 의미하는 감도, 즉 기울기(SPHE)를 각 온도에서 구하여 보았다. SPHE는 평면 홀 전압에 비례하고 자기 비등방성에 반비례하며 Eq. (1)과 같이 표현된다[7-10].

SPHE=PHVI×Happ=1tρρHex+Hk=1tΔρMAtotal

여기서, PHV 는 평면 홀 전압, I 는 전류, Happ 는 인가 자기장, t 는 강자성층의 두께, ρρ 는 자기장의 방향이 전류에 평행할 때와 수직할 때의 저항의 차이(Δρ)를 의미한다. 그리고 Hex는 교환바이어스 필드(exchange bias field), Hk는 자기 비등방성 필드(magnetic anisotropy field)를 의미하고, 그 합을 총 자기 비등방성(total magnetic anisotropy, MAtotal)으로 정의한다. 본 연구에서는 강자성층인 NiFe와 반강자성층인 IrMn의 두께를 각각 3 nm와 90 nm로 고정하였으므로, SPHE는 Δρ와 MAtotal의 함수이다. Δρ와 MAtotal 값은, 평면 홀 저항의 최대값(ΔPHRmax)이 Δρ에 비례하고[7-10], 평면 홀 저항의 최대값 일 때의 외부자기장의 세기(ΔHp)가 MAtotal에 해당한다는[10] 성질을 이용하여 간접적으로 구할 수 있다. 각각의 온도에서 한 sweep 방향(음에서 양의 자기장 sweep)에서 얻은 ΔPHR과, ΔPHR 곡선에서의 ΔPHRmax 와 ΔHp 위치를 Fig. 3에 나타냈다. Figure 3에서 얻은 SPHE, ΔPHRmax, ΔHpFig. 4에 온도에 대한 함수로 정리하였다.

Figure 3. (Color online) Planar Hall resistance of NiFe/IrMn bilayer depending on temperature obtained when the magnetic field sweep direction is upward.

Figure 4. Temperature dependence of (a) SPHE, (b) ΔHp and ΔPHRmax obtained from Fig. 3.

Figure 4의 (a)를 보면, SPHE는 온도가 감소하면서 점차 증가하다가, 3 K에서 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 저온에서 급격한 변화는 ΔHp에서도 관측되는데, 3 K 부근에서 ΔHp가 크게 증가하는 것을 Fig. 4(b)를 통해 확인할 수 있다. 반면에, ΔPHRmax 는 온도가 감소하면서 꾸준히 증가하며, 온도에 따른 급격한 변화는 관측할 수 없다. 이를 통해, SPHE의 온도 구간에 따른 의존도 차이는 ΔHp, 즉, MAtotal의 온도에 따른 변화와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.

상온에서 100 K까지의 ΔHp와 ΔPHRmax의 증가와 이에 따른 SPHE 변화는 열요동(thermal fluctuation)으로 이해할 수 있다. 이 구간에서는 온도가 감소하면서 열요동으로 인한 계면에서의 스핀 사이에 decoupling 이 약해지면서 교환바이어스와 보자력(coercive field)이 증가한다[11-15]. 즉, 교환바이어스와 보자력의 합과 관련이 있는 ΔHp 가 증가한다. 마찬가지로, 자기장의 방향이 전류에 평행할 때와 수직할 때의 저항의 차이, 즉, Δρ 역시 온도가 감소하면서 열요동의 감소로 인하여 증가하므로, 따라서 ΔPHRmax 가 증가한다고 이해할 수 있다. 그렇기 때문에, 이 구간에서의 SPHE 변화는 Eq. (1)에서 확인할 수 있는 것처럼, Δρ와 MAtotal의 경쟁(competition)에 의해 결정된다. 우리가 관측한 결과에서는 상온에서 100 K 사이 구간에서 온도에 따른 ΔPHRmax 증가가 ΔHp 보다 크기에 SPHE 가 증가하는 양상을 보인다. 반면에, 3 K 부근의 SPHE 의 급격한 감소는 Fig. 4(b)에서 확인할 수 있는 것처럼 MAtotal의 급격한 증가에 의한 것이며, 이를 확인하기 위해서 온도에 따른 자기 이력 곡선을 SQUID를 이용하여 측정하였다.

Figure 5의 (a)와 (b)는 샘플 표면 방향에 놓여 있는 자화 용이축과 자화 어려움축 에서의 자기 이력 곡선을 각각 보여주고 있다. 자화 용이축의 방향은 증착 시 인가한 자기장의 방향으로 결정되지만, 반강자성체가 IrMn 일 때는, 자화 용이축으로 정렬된 자화가 아닌 3차원으로 분산된 자화가 보고되었다[16]. 이는 IrMn의 kinked 또는 triangular 스핀 구조와 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있는데[16, 17], 우리의 샘플에서도 Fig. 5의 (a)와 (b)과 같이 두 자화 방향에 대해서 유사한 자기 이력 곡선을 갖는 것을 확인된다. 또한, 자기 이력 곡선의 온도에 따른 변화를 살펴보면, 280 K와 100 K에서는 자기 이력 곡선의 폭과 교환바이어스가 거의 변동이 없으나, 6 K에서는 자기 이력 곡선의 폭이 크게 증가하며, 음의 자기장 방향으로의 수평이동을 확인할 수 있다. 이런 현상은 자화 용의축과 자화 어려움축 모두에서 나타난다. 이는 평면 홀 효과 측정에서 외부자기장의 인가방향이 자화 어려움축임에도 불구하고, 저온에서의 평면 홀 효과 (Fig. 2(d))에서 이력 현상을 보이는 것은 자기 이력 곡선의 폭의 증가와 관련이 있음을 의미한다. 또한 Fig. 4(b)에서 보이듯 3 K에서 ΔHp의 급격한 증가는 Fig. 5의 6 K에서의 교환바이어스와 보자력의 급격한 증가에 의한 것임을 확인할 수 있다.

Figure 5. (Color online) Normalized magnetic hysteresis loops of NiFe/IrMn bilayer measured along in-plane (a) easy axis and (b) hard axis at 6 K, 100 K, and 280 K.

저온에서 교환바이어스와 보자력의 급격한 증가는 50 K 이하의 저온에서 보이는 IrMn의 스핀 글라스 또는 스핀 글라스와 유사한 스핀 반전이 동결(freezing)되기 때문이다[11-15]. CuMn[18,19], AgMn[18], NiMn[20, 21], FeMn[11], IrMn[12-15] 등과 같은 Mn을 포함한 합금에서 스핀 글라스(spin glass)와 유사한 현상이 관측되는데, 이는 강자성/반강자성 겹층 구조에서 저온에서의 교환바이어스를 크게 증가시킨다[11-15]. 이러한 교환바이어스의 증가는 자기 이력 곡선의 수평이동 뿐만 아니라 자기이력곡선의 폭을 증가시킨다[22-24]. 이러한 결과는 저온에서의 교환바이어스 거동과, 이것이 자기 비등방성에 미치는 영향이 평면 홀 센서의 감도에 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다. 추가로, 본 연구 결과에서 두 가지 특이사항을 확인할 수 있다. 먼저, Fig. 3의 3 K에서의 ΔPHR 곡선을 보면, 다른 온도에서와는 다르게 원점을 기준으로 비대칭 형태를 갖는다. 평면 홀 효과가 외부자기장에 의한 자화의 회전에 기인함을 토대로 판단해 볼 때, 이는 자화의 회전이 균일하지 않음을 의미한다. 이는 외부 자기장의 방향에 따라서 자화의 회전을 차이가 나게 하는 요소가 있음을 의미하며, 이는 앞에서 의논한 것처럼 3 K에서 관측되는 스핀 글라스의 동결에 의한 영향일 가능성이 크다. 또 다른 특이사항은, Fig. 2(b)-(c)에서 보인 것처럼, 외부 자기장이 양의 값에서 음의 값으로 sweep될 때의 ΔPHR의 곡선(검은색 곡선)이 반대 방향으로 sweep한 곡선(빨간색 곡선)에 비하여 비대칭적이고 신호가 작다. 이런 현상은 training effect 와 관련이 있은 것으로 판단되는데[12-15], 그 이유는 측정 순서가 검은색 화살표에서 빨간색 화살표로 진행되었기 때문에 빨간색 화살표 방향으로의 sweep시에는 처음보다 균일한 자화의 회전이 가능해 졌을 것이라 예상되기 때문이다.

우리는 강자성/반강자성 겹층 구조에서 온도에 따른 평면 홀 효과와 자기 이력 곡선의 상관관계를 분석함으로써 평면 홀 효과에서 교환바이어스와 자기 비등방성이 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 임계온도(50 - 100 K) 이상에서는 열요동에 의해서 온도가 증가하면서 자기 비등방성은 감소하며, 이에 따라서 평면 홀 효과의 기울기가 감소한다. 반면에, 3 K 부근의 저온에서는 IrMn과 같이 망간을 포함한 반강자성에서 나타나는 스핀 글라스와 같은 특이 현상으로 인해 교환바이어스가 급격히 커지고, 그 결과, 평면 홀 효과의 기울기가 급격히 감소한다. 평면 홀 효과와 센서 감도를 결정하는 중요한 요소인 교환바이어스와 자기 비등방성에 대한 우리의 근본적인 연구는 더욱 성능이 좋은 평면 홀 센서를 디자인하는데 도움을 주리라 기대한다.

  1. T. Q. Hung et al, J. Appl. Phys. 107, 09E715 (2010).
    CrossRef
  2. T. Q. Hung, D. Y. Kim, B. P. Rao and C. G. Kim, State Art Biosensors-General Aspects. (IntechOpen, London, U.K., 2013), Chap. 9.
  3. V. Mor, A. Grosz and L. Klein, High Sensitivity Magnetometers. (Springer, New York, NY, USA, 2017), p 201-224.
    CrossRef
  4. A. Elzwawy et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 353002 (2021).
    CrossRef
  5. J. C. Wu, C. S. Wu and T. Wu, J. Appl. Phys. 85, 5795 (1999).
    CrossRef
  6. C-R. Chang, IEEE Trans. Magn. 36, 1214 (2000).
    CrossRef
  7. A. Schuhl, F. Nguyen Van Dau and J. R. Childress, Appl. Phys. Lett. 66, 2751 (1995).
    CrossRef
  8. L. Ejsing et al, Appl. Phys. Lett. 84, 4729 (2004).
    CrossRef
  9. L. Ejsing et al, J. Magn. Magn. Mater. 293, 677 (2005).
    CrossRef
  10. B. Özer, H. Pişkin and N. Akdoğan, IEEE Sens. J. 19, 5493 (2019).
    CrossRef
  11. H. Fulara, S. Chaudhary, S. C. Kashyap and S. Granville, J. Appl. Phys. 115, 043910 (2014).
    CrossRef
  12. H. Fulara, S. Chaudhary and S. C. Kashyap, Appl. Phys. Lett. 101, 142408 (2012).
    CrossRef
  13. F. Spizzo, M. Tamisari, E. Bonfiglioli and L. D. Bianco, J. Phys.: Condens. Matter 25, 386001 (2013).
    Pubmed CrossRef
  14. F. Spizzo et al, J. Magn. Magn. Mater. 421, 234 (2017).
    CrossRef
  15. S. Nayak et al, J. Magn. Magn. Mater. 499, 166267 (2020).
    CrossRef
  16. A. Kohn et al, Sci. Rep. 3, 2412 (2013).
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  17. H. Fulara, S. Chaudhary and S. C. Kashyap, Appl. Phys. Lett. 103, 052405 (2013).
    CrossRef
  18. J. S. Kouvel and J. Phys, . Chem. Solids 21, 57 (1961).
    CrossRef
  19. T. Iwata, K. Kai, T. Nakamichi and M. Yamamoto, J. Phys. Soc. Jpn. 28, 582 (1970).
    CrossRef
  20. J. S. Kouvel and C. D. Graham, Jr. J. Phys. Chem. Solids 11, 220 (1959).
    CrossRef
  21. W. AbdulRazzaq and M. Wu, J. Appl. Phys. 69, 5078 (1991).
    CrossRef
  22. J. Nogués and I. K. Schuller, J. Magn. Magn. Mater. 192, 203 (1999).
    CrossRef
  23. A. E. Berkowitz and K. Takano, J. Magn. Magn. Mater. 200, 552 (1999).
    CrossRef
  24. J. Nogu, Phys. Rep. 422, 65 (2005).
    CrossRef

Stats or Metrics

Share this article on :

Related articles in NPSM