npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2023; 73: 652-657

Published online August 31, 2023 https://doi.org/10.3938/NPSM.73.652

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Study on Magnetic Field-induced Magnetic Domain Dynamics Based on the Type and Thickness of the Underlayer in Co/Ni Nanowires

Co/Ni 나노와이어에서 하지층의 종류 및 두께에 따른 자기장 유도 자구 동역학 연구

Young-Ho Jeong1,  Kwang-Su Ryu1*, See-Hun Yang2

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

Correspondence to:*E-mail: ksryu@knue.ac.kr

Received: July 10, 2023; Revised: July 18, 2023; Accepted: July 18, 2023

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.

In this study, we examined the magnetic field–induced dynamic change of magnetic domains in Co/Ni nanomagnetic wires, focusing on the effects of the underlayer type and thickness. Real-time domain observation was performed using a magneto-optic Kerr effect microscope, enabling the analysis of the changes in domain dynamics. The underlayers of Co/Ni magnetic wires were composed of Pt and Au with varying thicknesses. The Pt thickness was varied from 2.5 Å to 10 Å, and the thickness of Au was varied from 15 Å to 50 Å. First, the magnetization reversal of all samples exhibited a tendency of domain wall movement, with increasing coercivity for increasing underlayer thickness. Furthermore, by analyzing the domain wall velocity data for the magnetic field magnitude, it was confirmed that the domain wall movement in all samples could be effectively explained by the thermal activation model based on the domain wall creep motion. Additionally, we found that the magnetic field strength required magnetic domain wall movement increased with increasing underlayer thickness.

Keywords: Magnetization reversal behavior, Co/Ni multilayer, Domain dynamics, Domain wall motion, Thermal activation motion

본 연구에서는 실시간 자구관찰이 가능한 광자기 Kerr 현미경을 이용하여 Co/Ni 나노자성와이어에서 하지층의 종류와 두께에 따른 자기장 유도 자구 동역학 변화를 측정하였다. Co/Ni 박막의 하지층은 Pt, Au이고, Pt의 두께는 2.5 Å에서 10 Å로 Au의 두께는 15 Å에서 50 Å로 변화시켰다. 먼저, 모든 샘플의 자화역전현상은 자구벽 이동 성향을 보였고, 하지층의 두께가 증가함에 따라 보자력이 증가함을 알 수 있었다. 또한, 자기장의 크기에 대한 자구벽 속도 데이터를 분석한 결과, 모든 샘플들의 자구벽 이동은 자구벽 creep 운동에 근거한 열적 활성화 모델로 잘 설명될 수 있음을 확인 하였다. 그리고 하지층의 두께가 증가할수록 자구벽 이동시키는데 필요한 자기장의 세기가 증가 함을 알 수 있었다.

Keywords: 자화 역전 현상, Co/Ni 다층박막, 자구동역학, 자구벽 운동, 열적활성화 운동

정보를 다루고 처리하는 시대적 요구에 맞게 뛰어난 성능을 가진 차세대 소자들의 개발 연구가 활발히 이루어지고 있는데 그 중 하나가 전자의 스핀을 이용한 나노자성체이다[1,2]. 나노자성체 스핀소자에서 자화역전현상은 스핀소자의 직접적인 메커니즘에 해당하기 때문에 이에 대한 연구는 매우 중요하다. 일반적으로 나노자성체에서의 자화역전현상은 샘플의 자기이방성 특성에 따라 매우 다르다. 수평 자기이방성을 가진 나노자성체는 보자력 근처의 자기장 하에서 여러 사이즈를 가진 면적 단위로 자구가 무작위적인 점프를 하며 움직이며[3], 반면 수직 자기이방성을 가진 나노자성체은 보자력보다 작은 자기장 하에 열적활성화 에너지의 도움으로 자구가 생성되거나 자구벽이 이동하여 움직인다[4]. 특히, 자구벽 운동성향을 가진 수직 자기이방성을 가진 나노자성체의 경우 자화역전현상은 자구벽의 creep 운동에 근거한 열적활성화 모델로 잘 설명 된다[5].

최근에는 수직 자기이방성을 가진 나노자성와이어에서 자기장이 아닌 전류에 의해 자구벽이 이동하는 것이 보고되어 수직 나노자성체에서의 자화역전현상이 많은 관심을 받고 있다[6-9]. 특히, Co/Ni 자성와이어는 강한 수직 자기이방성을 가질 뿐 아니라 상대적으로 작은 보자력을 가지고 있어 자구벽을 움직이는데 필요한 전류밀도가 상대적으로 작은 것으로 알려져 있다[7]. 또한 Co/Ni 자성와이어는 하지층의 종류에 따라 전류에 의한 자구벽 이동 메커니즘이 달라진다. 하지층이 Pt, Ir, Pd 인 경우 Co/Ni 다층박막의 자화역전현상은 전류 방향으로 자구벽이 이동하며 이는 자구벽의 카이랄 구조와 스핀홀 효과에 의한 스핀궤도토크로 설명한다[8]. 반대로, 하지층이 Au인 경우 Co/Ni 자성와이어는 전류의 반대방향인 전자의 이동방향으로 자구벽이 이동하며 이는 자성층에서의 스핀전달토크로 설명한다[8]. 이렇듯 Co/Ni 자성와이어의 전류 유도 자구동역학은 하지층의 종류에 따라서 전혀 다른 메커니즘을 따른다. 또한, Co/Ni 박막의 자기이방성은 하지층의 종류뿐 아니라 두께에 따라 달라지는 짐을 고려한다면, Co/Ni 자성와이어에서 하지층의 종류와 두께에 따른 자구동역학 변화에 대한 연구는 매우 중요하다. 그러나 지금까지 대부분의 Co/Ni 자성와이어에 대한 연구는 전류 유도 자구동역학에서 주로 이루어졌고, 자기장 유도 자구동역학에 대한 연구는 매우 부족하다. 또한, 수직 자기이방성을 나노자성체에서의 자화역전현상을 보다 잘 이해하기 위해서는 세부적인 자기적 성질 변화에 따른 자구동역학의 체계적인 연구가 필요하다.

본 연구에서는 Co/Ni 자성와이어에서 하지층의 종류와 두께에 따른 자기장 유도 자구동역학 변화를 연구하였다. 제작된 샘플의 하지층 종류는 Pt, Au이고, Pt의 두께는 2.5 Å에서 10 Å로 변화시켰고, Au의 두께는 15 Å에서 50 Å로 변화시켰다. 기본적으로 하지층의 두께가 증가함에 따라 Co/Ni 박막의 자기이방성 상수도 증가하는 것으로 알려져 있다. 즉, 같은 종류의 하지층일 경우 두께를 조절함으로써 자기이방성 상수의 변화에 따른 자구동역학 변화를 측정할 수 있다. 본 연구를 위해 Co/Ni 자성와이어의 자기적 성질과 자기장에 따른 자구동역학은 실시간 자구관찰이 가능한 광자기 Kerr 현미경 시스템을 이용하였다. 그리고 자기장 세기에 따른 자구벽 속도의 데이터를 분석함으로써 샘플들의 자화역전 메커니즘을 이해하였다.

본 연구에서 사용된 샘플은 하지층이 각각 Pt, Au인 Co/Ni 자성와이어이고 세부적은 구조는 Fig. 1(a)와 같다. 모든 샘플은 DC magnetoron sputtering 방식으로 제작하였고, Si(100)기판 위에 buffer층으로 하지층이 Pt인 경우에는 100 Å Al/50 Å Ta/50 Å Ru을 쌓았고 하지층이 Au인 경우에는 100 Å Al/50 Å Ta를 쌓았다. 하지층이 Pt인 경우 샘플의 구조는 x Pt/3 Å Co/7 Å Ni/1.5 Å Co/50 Å Ta으로 Pt의 두께 x는 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 Å로 변화시켜 제작하였다. 또한, 하지층이 Au인 경우 샘플의 구조는 y Au/3 Å Co/[7 Å Ni/1.5 Å Co]×2/50 Å Ta으로 Au의 두께 y는 15, 30, 50 Å로 변화시켜 제작하였다. 자기적인 성질을 측정한 결과 모든 샘플은 강한 수직 자기이방성을 가졌으며, 하지층이 Pt인 샘플의 경우 Pt 두께가 2.5 Å에서 10.0 Å로 변함에 따라 자기이방성 상수 K는 4.05 × 106 erg/cc에서 5.08 × 106 erg/cc으로 점차 증가하였다. 그리고 하지층이 Au인 샘플의 경우는 Au 두께가 15 Å에서 50 Å로 변함에 따라 자기이방성 상수 K는 1.71 × 106 erg/cc에서 2.29 × 106 erg/cc으로 점차 증가하였다. 즉, 하지층이 Pt, Au인 경우 모두 하지층의 두께가 증가함에 따라 자기이방성 상수는 증가하기 때문에 하지층의 두께를 조절하면 자기이방성 상수의 변화가 자구동역학에 끼치는 영향을 조사할 수 있다.

Figure 1. (Color online) (a) Schematic diagrams of the detailed structures consisting of the Co/Ni multilayer films with Pt and Au underlayers, respectively, where the thickness of Pt underlayer is changed from 2.5 Å to 10.0 Å. (b) Optical image of the Co/Ni magnetic wire. The width and length of the wire are 10 μm and 50 μm, respectively, and two large area pads are made on both sides of the wire.

자화역전현상을 알아보기 위해 샘플은 자성와이어 형태로 제작되었다. 자성와이어는 Photo-Lithography 방식으로 제작되었고, 제작된 자성와이어의 광학 이미지는 Fig. 1(b)와 같다. 와이어의 폭과 길이는 각각 10 μm, 50 μm이며, 와이어 양쪽에 넓은 면적의 pad가 만들어져 있다. pad는 자구가 생성되는 곳으로 mechanical 결함을 이용하여 자구를 쉽게 만들 수 있다. 샘플들에서 실시간으로 움직이는 자구의 관찰은 광자기 Kerr 현미경 시스템을 사용하였다[10,11]. Figure 2는 실험실에서 제작된 광자기 Kerr 현미경 시스템의 개략도를 나타낸 것이다. 광자기 Kerr 현미경 시스템은 광자기 Kerr 효과를 이용하는 장비로써, 자성박막의 자기이력곡선 뿐 아니라 자기장의 세기에 따른 자구벽 속도를 측정할 수 있다. 광자기 Kerr 효과란 자성체의 자화 상태에 따라 반사된 빛의 편광이 달라지는 것을 말한다. 광자기 Kerr 효과에 의해 달라진 편광 차이는 빛의 세기의 차이로 나타나 자화의 방향을 구별할 수 있게 된다. Figure 2와 같이 수은 램프로부터 발생된 광원은 Polarizer를 지나 선형 편광이 되고, Beam splitter를 통과하여 대물렌즈를 지나 자성체에 입사 및 반사하게 된다. 광자기 Kerr 효과로 인해 변화된 빛은 Analyzer를 통과하여 편광 차이로 인해 발생된 명암 정보들이 CCD카메라를 통해 이미지로 컴퓨터에 저장된다. 시간에 따라 저장된 이미지들은 이미지 분석 프로그램을 통해 자구벽 운동의 동역학적 특성을 분석하게 된다. 전원에 연결된 전자석으로 인해 약 최대 500 Oe 의 세기를 가진 자기장을 인가할 수 있다.

Figure 2. (Color online) Schematic diagram of the magneto-optical Kerr effect microscope system.

자성와이어에서 자기장의 세기에 따른 자구벽 속도를 측정하기 위해서는 측정 전에 자구를 생성 및 제어를 해야 한다. 먼저, 반대 방향으로 큰 자기장을 걸어주어 자화의 방향을 반대 방향으로 정렬한다. 그리고 보자력 근처의 약간 작은 세기의 자기장을 걸어주면 pad에서 자구가 형성되고, 보다 큰 세기의 자기장을 이용하여 자성와이어의 한 쪽 끝으로 자구벽을 이동시킨다. 그 후 일정한 자기장을 인가하면서 시간에 따른 자구 역전 이미지를 측정하게 된다. 자구벽이 강하게 오랫동안 pinning 되는 구간을 제외하고 자구벽이 잘 움직이는 구간에서의 자구벽 속도를 측정한다.

광자기 Kerr 현미경 시스템을 이용하여 모든 샘플에서 자기이력곡선을 측정하였다. 그 결과 모든 샘플이 사각형 모양의 자기이력곡선을 보임을 알 수 있었고, 단일 자구벽이 이동하는 자화역전현상을 보임을 알 수 있었다. Figure 3(a), (b)는 하지층 Pt, Au의 두께 변화에 따른 보자력 HC의 변화를 각각 나타낸 것이다. 흥미롭게도, 하지층의 두께가 점점 증가함에 따라 보자력도 증가함을 알 수 있다. 즉, 모든 샘플이 자구벽 이동성향을 띠기 때문에 하지층의 두께가 증가함에 따라 자구벽을 이동시키는데 필요한 자기장의 세기가 증가함을 말한다. 하지층이 Pt인 샘플들의 경우 강자성을 띠는 Co/Ni층은 변함이 없고 하지층의 두께만 변한다는 것을 고려하면, 보자력의 증가는 하지층 두께에 따른 자기이방성 상수의 증가 때문인 것으로 생각된다. 이러한 해석은 하지층이 Au인 샘플에도 그대로 적용된다. 또한, 하지층이 Au인 샘플의 경우 Co/Ni의 두께가 더 크다는 것을 고려하더라도 상대적으로 하지층이 Pt인 샘플이 하지층이 Au인 샘플 보다 보자력이 더 크다는 것을 알 수 있다. 이는 하지층이 Pt인 샘플이 하지층이 Au인 샘플보다 자기이방성 상수가 더 크기 때문이라고 생각된다.

Figure 3. The values of the coercivity HC according to the change in the thickness of (a) the Pt and (b) Au underlayers, respectively.

Co/Ni 자성와이어에서의 자화역전현상을 조사하기위해서 Fig. 4와 같이 샘플들의 자기장의 세기에 따른 자구벽 속도를 측정하였다. 자구벽 속도는 광자기 Kerr 현미경을 이용하여 저장된 실시간 자구 이미지들로부터 측정된다. 흥미롭게도, 모든 샘플에서 자구벽 속도는 자기장의 세기가 증가함에 따라 지수함수와 같이 급격하게 증가함을 알 수 있고, 자기장의 세기에 대한 자구벽 속도의 그래프가 모두 비슷한 형태를 띠는 것을 알 수 있다. 이렇게 자기장에 대한 자구벽 속도가 지수함수와 같이 급격하게 증가하는 형태를 띠는 것은 모든 샘플들에서의 자화역전현상이 열적활성화 에너지에 의한 자구벽 운동 메커니즘으로 설명될 수 있음을 말한다. 또한, 하지층이 Pt, Au인 경우 모두 자기장에 대한 자구벽 속도 그래프가 하지층의 두께가 증가함에 따라 자기장 축을 따라 오른쪽으로 이동함을 알 수 있다. 이는 하지층 두께에 따른 보자력의 증가 때문인 것으로 생각된다. 즉, 단일 자구벽 운동을 띠는 자성체에서 보자력의 크기는 자구벽을 움직이게 하는 자기장의 세기에 해당하기 때문이다. 그러므로 하지층의 두께가 증가함에 따라 같은 속도를 가진 자구벽 이동을 만들기 위해서는 더 큰 세기를 가진 자기장이 필요하다.

Figure 4. (Color online) The values of the domain wall velocity V according to the applied magnetic field H at several underlayer thicknesses, measured in the Co/Ni magnetic wires with (a) Pt and (b) Au underlayers, respectively.

모든 Co/Ni 자성와이어에서 자기장 하에 움직이는 자구벽 운동은 자구벽 creep 운동을 고려한 열적활성화 모델로 잘 설명됨을 알 수 있었다[5]. 기본적으로 이 이론적 모델은 수직 자기이방성을 가진 나노자성체의 자구벽 운동을 매우 잘 설명하는 것으로써 disordered defect들이 존재하는 나노자성체 내에서 자구벽 에너지를 길이에 따른 탄성에너지로 가정하여 계산하였다. 0 K인 온도에서 임계자기장 Hcr이하의 자기장에서 움직이지 않다가, 0 K이 아닌 일정한 온도 T에서 움직이기 시작한다. 여기서, Hcr는 샘플 내 defect들로 인해 생기는 자구벽의 pinning field들에 의해 결정되는 양이다. 열적활성화 에너지를 고려하여 일정한 온도 T에서 임계자기장 Hcr이하인 자기장 H을 인가해주었을 때 H에 대한 자구벽 속도 V는 다음과 같은 식으로 표현된다.

V=V0expUCkBTHcr H1/4

여기서, kB는 볼츠만 상수이고 UC는 자구벽의 pinning과 관련 에너지로써 샘플에 의해 결정되는 상수이다. 그러므로 자구벽의 creep 운동을 고려한 열적활성화 모델에 의하면 자구벽의 속도 V의 로그값에 해당하는 ln VH-1/4에 비례하는 형태를 띠는데 이는 자구벽이 이동하는데 느끼는 에너지 장벽의 크기가 H-1/4에 비례한다는 것을 뜻한다. Figure 5Fig. 4의 자기장 H에 대한 자구벽 속도 V의 실험 결과들을 ln VH-1/4의 그래프로 나타낸 것이다. 또한, 각각의 데이터를 선형 fitting한 함수도 함께 나타내었다. Figure 5에서 보이는 바와 같이 모든 자성와이어들의 자기장 H에 대한 자구벽 속도 V 데이터에서 로그값 ln VH-1/4에 잘 비례함을 알 수 있다. 이는 모든 자성와이어들의 자구벽 운동이 자구벽 creep 운동을 고려한 열적활성화 모델로 잘 설명될 수 있음을 말한다.

모든 샘플에서 자기장의 세기에 따른 자구벽 속도의 특성을 비교하기 위해서 H-1/4에 대한 ln V 값의 기울기의 절대값 α를 fitting을 통해 계산하였다. 자구벽의 creep 운동을 가정한 열적활성화 모델에 의하면 이 기울기의 절대값 αUCHcr1/4kBT이 된다. 즉, αUCHcr1/4에 비례하게 된다. Figure 6(a), (b)는 각각 하지층이 Pt, Au 인 경우의 자성와이어에서 하지층의 두께변화에 따른 기울기의 절대값 α의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 먼저, 하지층이 Pt, Au인 모든 자성와이어에서 α는 하지층의 두께 변화에 대해서 error 범위 내에서 큰 변화가 없음을 알 수 있었다. 이론적 모델에 의하면 α 값은 샘플 내 자구벽의 pinning 에너지에 해당하는 UC과 임계자기장 Hcr의 값에 의해 결정된다. 모든 자성와이어에서 자화역전현상은 자구벽 이동 성향을 보이기 때문에 0 K의 온도에서의 보자력 HC은 이론에서의 임계자기장 Hcr와 같게 된다. 그러므로 Fig. 3과 같이 하지층의 두께가 증가함에 따라 보자력 HC이 증가하기 때문에 임계자기장 Hcr도 하지층이 증가함에 따라 증가한다고 생각할 수 있고, α 값은 하지층이 증가함에 따라 증가해야 한다. 그럼에도 불구하고 하지층의 두께 변화에 따라 α값이 큰 변화가 없었다는 것은 샘플 내의 pinning 에너지에 해당하는 UC도 같이 변화했다고 생각할 수 있다. 고로, 하지층의 두께 변화에 따른 자기이방성의 변화에 대해서 기울기의 절대값 α는 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 그러므로 하지층의 증가에 따른 자기 이방성 상수의 증가는 열적활성화 모델의 creep 곡선을 띠는 자기장의 세기에 대한 자구벽 속도 그래프를 단지 보자력 크기에 비례하여 자기장 축 상에서 오른쪽으로 평행 이동시키는 효과를 준다는 것을 알 수 있다. 또한, 이론에 의하면 임계자기장 Hcr는 자성층의 두께에 반비례하는 것을 고려하면, 상대적으로 두꺼운 자성층을 가진 하지층 Au인 샘플의 보자력이 하지층 Pt인 샘플의 보자력보다 작은 것도 이해할 수 있다. 수직 나노자성체에서의 자구벽 운동에 대한 완벽한 이해를 위해서는 샘플의 pinning site들을 제어하고 이것들이 자구벽 운동에 구체적으로 어떤 영향을 끼치는지에 대한 체계적인 연구가 더 많이 필요하겠다.

Figure 6. The values of the α according to the change in the thickness of (a) the Pt and (b) Au underlayers, respectively, obtained from the data in Fig. 5.

본 연구는 Co/Ni 자성와이어에서 하지층의 종류와 두께에 따른 자기장 유도 자구 동역학을 측정 및 분석하였다. Co/Ni 자성와이어의 하지층은 Pt, Au이고 두께는 각각 2.5 Å – 10 Å, 15 Å – 50 Å로 변화시켰으며, 와이어의 폭은 10 μm 이었다. 실시간 자구 관찰이 가능한 광자기 Kerr 현미경 시스템을 이용하여 샘플들의 자기이력곡선과 자기장에 따른 자구벽 속도를 측정하였다. 먼저, 샘플의 자기이력곡선을 측정한 결과 하지층이 Pt, Au인 경우 모두 하지층의 두께가 증가할수록 보자력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 모든 샘플에서 자기장의 세기에 따른 자구벽 이동 속도 변화를 측정하였다. 그 결과, 하지층이 Pt, Au인 경우 모두 Co/Ni 자성와이어에서 자구벽 creep 운동에 근거한 열적 활성화 모델로 잘 설명될 수 있음을 확인하였다. 자기장에 따른 자구벽 이동 속도의 그래프를 분석한 결과, 하지층의 두께가 증가할수록 자구벽을 이동시키는데 필요한 자기장의 세기가 증가하는 것을 알 수 있었다.

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