Fe/Gd 다층박막 내 자성층간 결합에 미치는 패턴의 영향을 연구하였다. 이를 위하여 하나의 다층박막 시료를 나누어서 패턴한 것과 패턴하지 않은 것으로 제작하여 비교하였다. X선 자기 원편광 이색성(X-ray magnetic circular dichrosim: XMCD)을 이용하여 Gd 원소에 선택적인 자화 벡터의 온도 변화를 비교한 결과, 패턴 시료의 경우 Gd 자화 벡터의 온도의존성이 패턴 전에 비해 뚜렷하게 변화했음을 관측하였다. 이는 패턴 효과와 반강자성의 층간 결합 효과가 서로 경쟁하여 나타난 결과이다.
Pd은 단일 원소 금속 중에서 자기 감수율이 가장 크고 외부 환경에 따라 강자성 특성을 보이기도 한다. 본 논문은 자성 연구에 가장 적합한 FLAPW 방법을 사용하여 5-ML과 9-ML Pd(111) 박막의 자성을 계산하였다. 전자간 교환-상관 상호작용을 고려하기 위해 LDA와 GGA를 도입하여 두 계산 결과를 비교하였다. LDA 계산은 덩치 Pd이 상자성 상태가 바닥 상태임을 예측하여 실험과 일치하는 반면, GGA 계산은 덩치 Pd이 강자성을 갖는 것으로 잘못 예측하여 Pd 자성에 대해서는 LDA 계산이 더 신뢰할 수 있음을 알았다. 5-ML Pd(111) 박막에 대한 LDA 계산 결과에 의하면 상자성 상태가 바닥인 덩치 Pd과는 다르게 강자성 상태가 더 안정적이었다. 박막의 중앙에 위치한 Pd이 가장 큰 자기모멘트($0.273{\mu}_B$)를 가지며 중앙 Pd 층의 |m| = 1 상태가 덩치의 그것과 큰 차이가 있어 5-ML Pd(111) 박막의 강자성을 유발하는 데 주요 역할을 함을 알 수 있었다. 9-ML Pd(111) 박막은 상자성 상태가 강자성 상태에 비해 안정하였으나 두 상태 사이의 총에너지 차이가 거의 없고 유한한 자기모멘트를 안정적으로 가지는 것으로 계산되어 강자성 상태가 준 안정적임을 보였다.
보자력의 차이를 나타내는 두 자성층으로 구성된 거대자기저항 스핀밸브 삼층박막의 자기저항곡선과 자기이력 곡선을 단층박막으로 형성된 자성층의 자기이력곡선을 이용하여 용이학게 해석되는 방법을 제시하고, 삼층박막의 자기저항 특성과 삼층박막을 이루는 각 자성층의 자기적 특성과의 관계를 고찰하였다. 4$^{\circ}$ 기울어진 Si(111) 기판과 유리 기판 위에 NiFe/Cu/Co 삼층박막을 형성하여 일축자기이방성의 존재 유무에 따른 2가지 경우에 대해, 스핀밸브 삼층박막의 측정된 자기이력 및 자기저항곡선을 단층박막으로 형성된 NiFe, Co의 자기이력곡선으로부터 계산된 곡선과 비교하였다. 거대자기저항을 나타내는 NiFe/Cu/Co 스핀밸브 삼층박막의 자기이력곡선은 동일한 기판 위에 형성된 NiFe, Co 단층박막의 자기이역곡선을 합성한 곡선과 일치하였으며, 자기저항곡선 또한 각 단층박막의 자기이력곡선에 단지이력곡선에 단자구 모델과 다자구 모델을 적용하여 모사된 곡선으로 이해될 수 있었다. 이는 스핀밸브 삼층단막을 다양한 응용 분야에 적용시 각 응용에 필요한 자기저항 특성을 얻는에 유용한 것으로 사료된다.
1 차원 자성 포토닉 결정은 원하는 파장에서 큰 페러데이 회전각과 투과율을 얻을 수 있기에 아주 흥미롭다. 두 종류의 유전체 층(S: $SiO_2$, T:T $a_2$$O_{5}$)을 주기적으로 적층한 구조에, Bi를 다량 치환한 가네트 박막(M:B $i_{1.07}$$Y_{1.93}$F $e_{5}$$O_{12}$)을 결함층으로 삽입한 (A/B)$_{k}$ M/(B/A)$_{k}$ 의 구조를 갖는 1차원 자성 포토닉 결정의 자기 광학 특성을 수치해석하였다. 가시광과 적외선 영역에서 1차원 자성 포토닉 결정의 자성체 층의 두께( $d_{M}$ )와 유전체 층의 적층수(k)를 변화시키며, 투과율(T)과 페러데이 회전각($ heta$$_{F}$ ) 및 성능지수(Q)를 조사하였다. (중략). (중략)(중략)
RF스퍼터링법으로 제작한 비정질(Fe$_{1-x}$ Co$_{x}$)$_{89}$Zr$_{11}$자성박막의 자기특성을 Co농도 X에 따라 조사하였다. 130 Oe의 인가자기중 1$50^{\circ}C$에서 90분간 열처리하였을 때 X=0.4, 0.5부근의 박막은 높은 자왜를 나타냄에도 불구하고 양호한 연자기 특성을나타내었다. 특히 X=0.4의 박막에서는 0.25 Oe의 낮은 보자력이 나타났으며, 1MHz, 50mOe의 여기자기장에서 측정된 교류투자율은 900정도였다. 본 연구의 박막에서 얻어진 우수한 자기특성은 외부자기장의 인가에 의해 특성의 변화가 가능한 표면탄성파(surface acoustic wave)소자에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.된다..된다.
스피넬 결정구조를 지니는 $CoMn_2O_4$ 박막을 증착하였으며 이들 박막의 물리적 특성을 후열처리 이전과 이후로 비교 조사하였다. 증착온도인 $720^{\circ}C$보다 낮은 $700^{\circ}C$에서의 후열처리 과정 이후, 열처리 이전의 불분명했던 tetragonal 결정구조가 분명하여졌으며 이는 곧 표면상태의 변화로도 관측되었다. 자성특성의 경우 약 100 K에서 다결정 형태의 벌크에서는 측정할 수 없었던 상전이가 관측되었다. 상전이온도 이상의 온도에서는 전형적인 강자성 특성을 보이는 반면 상전이온도 이하에서는 페리자성 특성을 보였다. 특히 열처리 이후에는 페리자성 특성은 매우 뚜렷하여졌다. 이와 같은 결과는 후열처리과정이 $CoMn_2O_4$ 박막의 물리적 특성을 결정짓는데 필수적임을 의미한다.
본 연구에서는 제일원리계산방법을 이용하여 스핀전달토크(Spin-Transfer Torque: STT) MRAM을 구현하는 데 적합한 물질로 알려진 CoFe 합금 박막의 자성과 자기결정이방성에 대해 계산하였다. CsCl 구조의 CoFe 합금 박막의 자기결정이방성을 계산하기 위해 교환-상관 퍼텐셜은 일반화 물매근사(general gradient approximation: GGA)를 사용하였으며 k-점은 $12{\times}12{\times}1$, 절단 에너지는 400 eV을 사용하였다. CoFe 합금 박막의 층수는 5층으로 하였고 박막 표면이 Co 원자인 경우와 Fe 원자인 경우에 $2.2{\AA}$에서 $3.2{\AA}$까지 범위에서 2차원 격자상수에 따른 박막의 총에너지를 계산하였다. 총에너지 계산 결과에 따르면 Co 표면의 CoFe 5층 박막의 총에너지는 $2.45{\AA}$와 $2.76{\AA}$의 두 2차원 격자상수에서 극소치를 가지는데 fcc 형 결정구조를 가지는 $2.45{\AA}$의 2차원 격자상수 박막이 bcc 형 결정구조를 가지는 $2.76{\AA}$ 2차원 격자상수 박막보다 약 160 meV 차이로 더 안정함을 알 수 있었다. 반면 Fe 표면의 CoFe 5층 박막은 상당히 복잡한 총에너지 계산 결과를 보여 주는데 이는 Fe 표면의 CoFe 5층 박막은 복잡한 자성 구조를 가지기 때문일 것으로 판단된다. $2.45{\AA}$의 Co 표면의 CoFe 5층 박막은 표면에 평행한 자기결정이방성을 가지는 반면, $2.76{\AA}$일 때는 표면에 수직한 자기결정이방성을 가지는 것으로 계산되었다.
스핀전자소자 연구 분야의 가장 큰 관심은 전하와 스핀의 자유도를 동시에 고려하여 메모리 및 논리용 트랜지스터를 구현하려는데 있다. 스핀 분극 된 전자를 자성금속으로부터 상자성 및 절연체를 이용하여 또 다른 자성체 및 반도체, 초전도체에 주입하는 일 (Spin injection)에 관한 연구가 일부 진행되어 왔다. 두 개의 자성 금속 사이에 Au등의 상자성 금속을 끼워 넣는 구조로 한쪽의 자성금속을 스핀 소스로 사용하여 상자성 금속에 스핀을 주입하고 다른 쪽의 자성금속으로 주입된 스핀을 검출하는 스핀 스위치 저장소자로서의 양극 스핀 트랜지스터 (bipolar spin transistor)를 많은 연구소에서 제조 연구하였다. (중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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