npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2025; 75: 1-7

Published online January 31, 2025 https://doi.org/10.3938/NPSM.75.1

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Study on Magnetic Domain Structure and Magnetic Domain Dynamics in Co/Ni Multilayer Thin Films with or without IrMn Layer

IrMn 층의 유무에 따른 Co/Ni 다층박막에서의 자구 구조 및 자구 동역학 연구

Seong-Eun Baek1, Kwang-Su Ryu1*, See-Hun Yang2

1Department of Physics Education, Korea National University of Education, Cheongju 28173, Korea
2IBM Almaden Research Center, San Jose, California CA 95120, USA

Correspondence to:*ksryu@knue.ac.kr

Received: October 8, 2024; Revised: November 18, 2024; Accepted: November 18, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

In this study, we report the experimental observation of the magnetic domain structure and magnetic domain dynamics in Co/Ni multilayer thin films with or without antiferromagnetic IrMn layer, respectively. First, as a result of observing the magnetic domain structure using a magnetic force microscopy, it is found that the magnetic domain size decreases as the Co/Ni layer thickness increases, and that the samples with the IrMn layer have the larger magnetic domain sizes than the samples without the IrMn layer. Also, using a magneto-optical Kerr magnetometer capable of measuring the magnetic viscosity curve, we find that the magnetization reversal phenomenon in all samples is explained by the thermally activated model. Additionally, it is found that the samples with the IrMn layer have the larger activation volumes than the samples without the IrMn layer.

Keywords: Magnetization reversal behavior, Co/Ni multilayer, Magnetic domain structure, Magnetic domain dynamics, Thermally activated model

본 연구에서는 반강자성 IrMn층이 있거나 없는 Co/Ni 다층박막에서의 자구 구조와 자구 동역학을 실험적으로 관찰하였다. 먼저, 자기 힘 현미경을 이용하여 자구 구조를 관찰한 결과 자구 사이즈는 Co/Ni층의 두께가 증가함에 따라 감소하였으며, IrMn층이 있는 샘플이 IrMn층이 없는 샘플보다 자구 사이즈가 더 큼을 확인할 수 있었다. 또한, 자기점성곡선을 측정할 수 있는 광자기 커르(Kerr) 자력계를 이용하여 자구 동역학을 측정한 결과, 모든 샘플에서의 자화역전현상이 열적활성화 모델로 설명됨을 알 수 있었다. 추가적으로, IrMn층이 있는 샘플이 IrMn층이 없는 샘플보다 열적활성화 부피가 더 큼을 알 수 있었다.

Keywords: 자화역전현상, Co/Ni 다층박막, 자구 구조, 자구 동역학, 열적활성화 모델

지속적으로 증가하는 정보의 수요에 맞추어 다양한 차세대 소자들이 개발되고 있는데, 최근 많은 관심을 받는 분야가 나노자성체의 스핀을 이용한 스핀트로닉스이다[1-3]. 나노자성체의 자구 구조 및 자구 동역학은 스핀소자 작동을 위한 메커니즘과 밀접한 관련이 있기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 수직자기이방성을 가진 나노자성체는 수평자기이방성을 가진 나노자성체에 비해 최소 자구 사이즈가 작아 정보기록의 밀집도 측면에서도 매우 큰 장점을 가지고 있다[4-6]. 또한, 최근 수직자기이방성을 가진 나노자성와이어에서 전류에 의한 매우 빠른 자구벽 운동이 관찰되어 수직 나노자성체에서의 자화역전현상도 많은 관심을 받고 있다[7, 8]. 일반적으로 수직 나노자성체에서의 자구 구조와 자구동역학은 정자기 에너지와 자구벽 에너지의 상대적 차이에 의존한다[6, 9, 10]. 즉, 자구벽 에너지 대비 정자기 에너지가 큰 나노자성체의 경우 자구 사이즈가 작아지고, 자화역전현상은 자구벽 이동성향 보다는 자구 형성 경향이 더 강해진다. 반대로, 자구벽 에너지 대비 정자기 에너지가 작은 경우에는 자구 사이즈가 커지고 자화혁전현상은 자구벽 이동성향이 강해진다. 여기서 수직 나노자성체에서의 자화역전현상은 보자력 보다 작은 자기장에서 열적활성화 에너지의 도움을 가정한 열적활성화 모델로 설명된다[10, 11].

최근, 수직자기이방성을 가진 나노자성체에 반강자성 층을 인접하게 하면 계면사이에서 생성되는 교환상호작용에 의해 비대칭 자기이력곡선을 보이는 수직 교환 바이어스 현상이 보고되고 있다[12-15]. 지금까지 대부분의 교환 바이어스 시스템은 수평자기이방성을 가진 나노자성체에서 발견되었으며 많은 연구가 이루어 졌다[12]. 그러나 이와 관련된 물리적 이해는 여전히 부족하다. 지금까지 수직 교환 바이어스 시스템으로는 강자성 층에는 Co/Pt, Co/Pd 등이 사용되었으며 반강자성 층으로는 FeMn, IrMn 등이 사용되었다[13-15]. 최근 강한 수직자기이방성을 가지면서 상대적으로 작은 보자력을 가진 Co/Ni 다층박막에 반강자성 층 IrMn을 인접한 새로운 수직 교환 바이어스 시스템이 보고되었고, 비대칭 자기이력곡선을 보이는 강한 교환 바이어스 현상을 확인하였다[16]. 또한, Co/Ni 다층박막에 IrMn을 인접했을 때 보자력이 증가함을 확인하였고, 이 샘플의 자화역전현상은 크립(creep) 운동을 가정한 열적활화 모델로 잘 설명되었다.

본 연구에서는 강자성 층에 해당하는 Co/Ni 다층 박막에 반강자성 층 IrMn을 인접하거나 인접하지 않았을 때의 자구 구조와 자구 동역학을 모두 관찰하고 이를 비교 연구하고자 한다. 보다 체계적인 연구를 위해 Co/Ni의 두께를 변화시킨 여러 샘플들을 사용하였다. 또한, IrMn 층이 인접한 샘플들은 교환 바이어스 자기장이 없는 상태를 만들기 위해 자기장이 0인 상태에서 270 °C의 온도에서 상온까지 제로 자기장 냉각(cooling)을 처리하였다. 샘플들의 자구 구조를 관찰하기 위해서 자기 힘 현미경(Magnetic Force Microscope, MFM)을 사용하였고, 자구 동역학을 측정하기 위해서 자기 점성 곡선을 측정할 수 있는 광자기 커르(Kerr) 자력계를 사용하였다. 관찰된 결과로부터 IrMn층의 유무에 따른 자구 사이즈의 차이를 확인하였고, 자기 점성 곡선들로부터 자구동역학의 차이를 확인하였다.

본 연구에서 사용한 샘플은 수직자기이방성을 보이는 Co/Ni 다층박막에 반강자성 IrMn 층을 인접한 것과 인접하지 않는 것, Co/Ni 두께를 변화시킨 것 등이다. 모든 샘플들은 DC 마그네트론 스퍼터링(DC magnetoron sputtering) 방식으로 제작되었고, Si 기판 위에 20 Å 두께의 Ta 층을 증착한 후에 그 위에 증착되었다. Figure 1에서와 같이 샘플들의 세부적인 구조는 각각 15 Å Pt/3 Å Co/[7 Å Ni/1.5 Å Co]×N/50 Å Ta, 15 Å Pt/3 Å Co/[7 Å Ni/1.5 Å Co]×N/20 Å IrMn/16 Å Al 이고, N은 Co/Ni층의 층수에 해당하며 5, 7, 9이다. 즉, IrMn층이 인접한 경우와 인접하지 않는 경우 모두 N의 값을 5, 7, 9로 변화를 주어 샘플을 제작하였다. 광자기 커르(Kerr) 자력계를 사용하여 모든 샘플들의 자기이력곡선을 측정하였는데, 그 결과 모든 샘플은 사각형 모양의 자기이력곡선을 보이는 수직자기이방성을 보였다. IrMn이 인접한 샘플의 경우 교환 바이어스 자기장을 없애기 위해서 자기장이 0인 상태에서 270 °C의 온도에서 상온까지 제로 자기장 냉각(cooling)을 처리하였고, 그 결과 대칭적인 자기이력곡선을 확인하였다. 본 연구에서는 IrMn의 유무에 따른 Co/Ni 다층박막에서의 자구 구조와 자구동역학의 차이를 관측하고자 한다.

Figure 1. (Color online) Schematic diagram of the sample structures consisting of the Co/Ni multilayer thin films without or with the IrMn layer, respectively.

모든 샘플들의 자구 구조 패턴을 측정하기 위해서 수십 nm 크기의 자구를 측정할 수 있는 MFM 장비를 사용하였다[17]. 일반적으로 MFM은 자성을 띤 tip과 자성 샘플사이에 작용하는 자기력을 측정하는 것으로 샘플의 자화방향의 분포를 이미지로 측정한다. MFM 측정은 tip과 자성 샘플이 직접적인 접촉을 하지 않은 비접촉 모드(Non-contact mode)에서 이루어졌으며, 이때 샘플의 높이 변화와 자기력에 의한 상(phase) 변화를 동시에 얻는다. 또한, 샘플의 자구동역학을 연구하기 위해서 본 연구실에서 제작한 자기점성곡선을 측정할 수 있는 광자기 커르(Kerr) 자력계를 사용하였다[18]. 광자기 커르(Kerr) 자력계는 빛이 자성체에 입사 후 반사될 때, 빛의 편광이 자성체의 자화 상태에 따라 변하는 광자기 커르(Kerr) 효과를 활용한 장비이다. 이 자력계는 샘플에 자기장 세기가 약 500 Oe인 최대 자기장을 인가할 수 있으며, 샘플의 자기이력곡선을 측정할 수 있다. 또한, 일정한 자기장 하에 시간에 따른 자화의 변화에 해당하는 자기점성곡선을 측정할 수 있다.

Figure 2(a), (b)는 광자기 커르(Kerr) 자력계를 이용해 측정된 IrMn 층이 있거나 없는 Co/Ni 다층박막에서 N=5,7,9인 샘플들의 자기이력곡선들을 각각 나타낸 것이다. 흥미롭게도, IrMn 층이 있거나 없는 모든 Co/Ni 다층박막에서 Co/Ni층의 두께가 증가함에 따라 자기이력곡선의 모양이 다소 직사각형 모양에서 기울어진 사각형 모양으로 변함을 알 수 있다. 즉, Co/Ni층의 두께가 증가함에 따라 IrMn층의 유무와 상관없이 샘플들의 직각도(squareness)가 감소함을 나타내고, 이는 자화역전현상이 변했다는 것을 말한다. Co/Ni층의 두께 변화에 따른 자기적 특징의 변화를 알아보기 위해서 Fig. 3에서와 같이 Co/Ni의 층수 변화에 따른 보자력을 그래프로 나타내었다. Figure 3에서 보는 바와 같이, Co/Ni층의 두께가 증가함에 따라 보자력이 감소하는 결과를 확인할 수 있으며, 이는 IrMn층의 유무에 관계없이 동일하였다. 또한, Co/Ni층의 두께가 동일한 경우, IrMn층이 있는 샘플의 보자력 크기가 IrMn층이 없는 샘플보다 더 큰 것으로 확인되었다. 이는 교환 바이어스를 보이는 샘플에서 공통적으로 나타나는 현상으로 교환 바이어스 자기장과는 상관없이 강자성 층과 반강자성 층의 계면으로부터 나오는 것으로 알려졌다[12, 16].

Figure 2. (Color online) (a), (b) Magnetic hysteresis loops measured in the Co/Ni multilayer thin films without or with the IrMn layer, respectively, where the number of repetitions of the Co/Ni layer is changed.

Figure 3. The values of the coercivity Hc according to the change in the number of repetitions of the Co/Ni layer, measured in the Co/Ni multilayer thin films without or with the IrMn layer, respectively.

IrMn층이 있거나 없는 샘플들의 자구 구조를 비교 분석하기 위해서 MFM 장비를 사용하여 모든 샘플들의 자구 이미지를 측정하였다. Figure 4는 IrMn층이 있거나 없는 샘플들에서 Co/Ni의 층수 N의 변화에 따른 33 × 33 μm2 사이즈의 자구 이미지들을 각각 나타낸 것이다. 여기서 Fig. 4(a)–(c)는 IrMn층이 없는 N=5,7,9 인 샘플에 각각 해당하며, Fig. 4(e)–(g)는 IrMn층이 있는 N=5,7,9 인 샘플에 각각 해당한다. 흥미롭게도, 모든 샘플에서의 자구 구조는 기본적으로 줄무늬(stripe) 모양의 자구 패턴을 보였으며, 이는 수직자기이방성 샘플에서 나타나는 대표적인 패턴이다[5, 6]. 또한, IrMn층 있거나 없는 모든 샘플에서 대체로 자구의 크기가 Co/Ni층 두께가 증가할수록 작아짐을 알 수 있다.

Figure 4. (Color online) Typical MFM images according to the change in the number of repetitions of the Co/Ni layer, measured in the Co/Ni multilayer thin films (a)–(c) without or (d)–(f) with the IrMn layer, respectively.

자구 사이즈의 보다 정량적인 분석을 위해서 측정한 모든 자구 이미지로부터 줄무늬(stripe) 모양의 자구 패턴 주기를 측정하였다. 자구 이미지에서 임의의 방향의 선의 윤곽(line profile)들로부터 주기적으로 변하는 서로 다른 두 방향의 자구들의 사이즈를 자구 주기로 계산하였다. Figure 5는 IrMn층이 있거나 없는 모든 샘플에서 측정한 자구 주기를 Co/Ni의 층수 변화에 따라 나타낸 것이다. 먼저, Co/Ni층의 두께가 증가함에 따라 IrMn층이 있거나 없는 모든 샘플에서 자구 주기가 작아지는 이유는 Co/Ni층 두께가 증가함에 따라 증가하는 정자기 에너지의 증가 때문이다[6]. 매우 흥미롭게도, Co/Ni층의 두께가 동일한 경우에는 IrMn층이 있는 샘플이 IrMn층이 없는 샘플 보다 자구 주기가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 Co/Ni층과 IrMn층의 계면에서 나타나는 자기적 특성의 변화에 의한 것으로 추측된다. 즉, Co/Ni층과 IrMn층의 계면으로 인해 수직자기이방성이 증가하고, 이것은 정자기 에너지 대비 자구벽 에너지의 증가를 시켜 자구 주기가 증가한 것으로 생각된다[6].

Figure 5. Typical MFM images according to the change in the number of repetitions of the Co/Ni layer, measured in the Co/Ni multilayer thin films (a)–(c) without or (d)–(f) with the IrMn layer, respectively.

모든 샘플들의 자화역전현상을 조사하기 위해서 광자기 커르(Kerr) 자력계를 이용하여 일정한 자기장 하에서 시간에 따라 자화가 변하는 자기점성곡선을 측정하였다. 자기점성곡선으로부터 자화가 절반으로 스위칭될 때의 시간을 자화역전시간 τ로 정의하며, 보자력 근처의 여러 자기장에서 구하였다. Figure 6(a)는 모든 샘플에서 측정한 자기장의 세기 H에 따른 자화역전시간 τ의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 흥미롭게도, 모든 샘플에서의 자화역전시간 τ가 자기장의 세기 H에 대해서 지수함수적으로 변함을 알 수 있다. 이는 모든 샘플에서의 자화역전현상이 열정활성화 모델로 설명이 됨을 말한다. 열적활성화 모델에 의하면, 자화역전시간 τ는 Arrhenius-Néel의 법칙에 따라서 아래 식과 같이 나타낼 수 있다[19].

Figure 6. (Color online) (a) The values of reversal times according to the applied magnetic field and (b) the values of lnτ according to the applied magnetic field, measured in Co/Ni multilayer thin films without or with IrMn layer, respectively.

τ=τ0eEbkBT

여기서 τ0은 상수값이고, kB는 볼츠만 상수이며, T는 절대온도이다. Eb는 자화역전을 위해 요구되는 에너지 장벽이며 자기장의 세기 H와 선형 관계에 있다. Figure 6(b)에서와 같이 lnτ 값이 자기장 H에 대 선형임을 알 수 있다. 이는 자기장 H에 대해 선형인 에너지 장벽을 가정한 열적활성화 모델이 관측된 자화역전현상을 매우 잘 설명한다는 것을 말한다.

또한, 자기장 H에 대한 lnτ값들로 부터, 자화가 역전할 때 기본 단위가 되는 열적활성화 부피를 구할 수 있다. 열적활성화 에너지 도움으로 자화 역전이 일어날 때, 자화는 일정한 부피 단위로 역전하게 되는데 이를 열적활성화 부피 Va라고 하며 다음과 같이 표현할 수 있다[19].

Va=-kBTMsdlnτdH

Equation (2)에 의하면 lnτH에 대한 기울기에 해당하는 dlnτdH는 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

dlnτdH-MsVakBT

Equation (3)에서 dlnτdHα로 정의하면, α의 절대값에 해당하는 |α|MsVakBT이 된다. 여기서 Co/Ni층의 두께가 증가함에 따라 Ms값의 변화가 거의 없고 온도가 상온으로 일정하다는 것을 고려한다면, |α|의 값은 열적활성화 부피 Va에 비례하는 양에 해당한다. 즉, 본 샘플에서 얻은 |α|의 값의 변화량으로부터 열적활성화에 의해 역전되는 자화의 기본 부피에 해당하는 Va의 변화를 알 수 있다. Figure 7(a)에서와 같이 |α|의 값의 변화를 IrMn 층이 있거나 없는 모든 샘플에서 Co/Ni의 층수 N의 변화에 따른 그래프로 나타내었다. 흥미롭게도, Co/Ni층의 두께가 증가함에 따라 |α|의 값이 증가함을 알 수 있었고, 이는 열적활성화 부피 Va가 Co/Ni층 두께가 증가함에 따라 증가함을 말한다. 그러나 N이 증가함에 따라 Co/Ni층의 두께가 증가하기 때문에 실제 열적활성화 부피의 가로 사이즈는 오히려 감소할 수 있다. 그래서 보다 정량적인 비교를 위해서 열정활성화 부피를 원통 모양으로 가정하여, 열적활성화 부피의 원형 단면의 지름에 비례하는 양에 해당하는 2|α|πt를 계산하였다. 여기서 t는 Co/Ni층의 두께이다. Figure 7(a)에서와 같이 2|α|πt의 값은 Co/Ni의 층수 N이 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 앞에서 살펴본 Co/Ni의 층수의 증가에 따른 자구 주기의 감소의 결과와 일치한다. 또한, 매우 흥미롭게도, Co/Ni층 두께가 동일한 경우에는 IrMn층이 있는 샘플이 IrMn층이 없는 샘플 보다 열적활성화 부피가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상의 원인은 자구 주기의 변화에 대한 결과와 마찬가지로 Co/Ni층과 IrMn층의 계면에서 나타나는 수직자기이방성의 변화에 의한 것으로 추측된다. 결론적으로, 자구 주기와 열적활성화 부피의 가로폭 사이즈는 강한 양의 상관관계를 보임을 알 수 있다.

Figure 7. (a), (b) The values of the |α| and 2|α|πt according to the change in the number of repetitions of the Co/Ni layer, obtained from the data in Fig. 6.

본 연구에서는 IrMn층이 있거나 없는 Co/Ni 다층박막에서 자구 구조와 자화역전현상의 차이를 관찰하였다. MFM를 이용한 자구 구조를 관찰한 결과, Co/Ni층의 두께 변화에 따른 자구 구조의 변화를 확인하였으며, IrMn층이 없는 샘플보다 IrMn층이 있는 샘플의 자구 사이즈가 더 큰 것을 알 수 있었다. 또한, 광자기 커르(Kerr) 자력계를 이용한 자기점선곡선의 측정으로부터 자기장의 세기에 따른 자화역전시간 변화를 측정하였다. 그 결과, IrMn층의 유무와 관계없이 모든 샘플에서의 자화역전현상이 열적활성화 모델로 잘 설명됨을 확인할 수 있었다. 열적활성화 부피는 Co/Ni층의 두께가 동일한 경우 IrMn층이 있는 샘플이 IrMn층이 없는 샘플 보다 열적활성화 부피가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 결론적으로, IrMn층이 있는 샘플이 IrMn층이 없는 샘플보다 자구 사이즈와 열적활성화 부피가 더 큰 이유는 강자성 층과 반강자성 층의 계면으로부터 생성된 수직자기이방성의 증가로 추측된다.

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