Evolution of Magnetic Property in Ultra Thin NiFe Films

We prepared ultra thin film structure of Si(100)/ $SiO_2$(200 nm)/Ta(5 nm)/Ni$_{80}$Fe$_{20/(l～15 nm)}$Ta(5 nm) using an inductively coupled plasma(ICP) helicon sputter. Magnetic properties and cross-sectional microstructures were investigated with a superconduction quantum interference device(SQUID) and a transmission electron microscope(TEM), respectively. We report that NiFe films of sub-3 nm thickness show the B$_{bulk}$ = 0 and B$_{surf}$=-3 ${\times}$ 10$^{-7}$(J/$m^2$). Moreover, Curie temperature may be lowered by decreasing thickness. Coercivity become larger as temperature decreased with 0.5 nm - thick Ta/NiFe interface intermixing. Our result implies that effective magnetic properties of magnetoelastic anisotropy, saturation magnetization, and coercivity may change abruptly in nano-thick films. Thus we should consider those abrupt changes in designing nano-devices such as MRAM applications.

나노두께 퍼말로이에서의 계면효과에 의한 자기적 물성 변화

나노 두께의 NiFe의 자기적 특성을 살펴보기 위해 Si(100)/ $SiO_2$(200 nm)/Ta(5 nm)/N $i_{80}$F $e_{20}$(1～15 nm)의 구조를 ICP형 헬리콘 스퍼터로 제작하였다. 제작된 시편의 자기적 물성은 SQUID를 이용하여 $\pm$50 Oe에서의 4.2K와 300K에서 각각의 M-H loop를 측정하여 자기탄성에너지 변화와 보자력을 확인하였다. 또한 SQUID로 4.2K-300K에서의 M-T curve를 통해 온도에 따른 포화자화를 두께에 따라 살펴보았다. TEM을 사용하여 제작된 시편의 각 계면간의 미세구조를 살펴보았다 나노두께의 NiFe는 3 nm 이하에서는 $B_{bulk}$=0, $B_{surf}$=-3${\times}$$10^{-7}$(J/$m^2$)의 자기 탄성계수를 보였으며, 보자력은 급격히 증가하는 것을 확인하였다. 나노 두께의 퍼말로이는 계면효과에 의해서 벌크특성과 다른 자기탄성계수, 보자력, Ms의 변화가 발생하였다. 따라서 나노급 소자를 제작할 때 이러한 변화를 고려하여 설계하여야 하였다.