자성박막에 존재하는 자기구역의 형상 및 동력학은, 자성박막의 학문적 연구와 응용기술 개발의 핵심을 제공하는 매우 중요한 분야의 하나로서, 최근 크게 관심이 고조되고 있다. 본 연구에서는 차세대 광자기 재질로 각광받고 있는 Co/Pd 다층박막에서의 자기구역 형상 및 자기구역 동력학을 연구하였다. 전자빔 진공증착 시스템을 사용하여, Co 층의 두께와 Pd층의 두께, 그리고 전체 층수가 변화하는 일련의 Co/Pd 다층박막 시료를 제작하였다. 제작된 모든 시료가 명목두께에 대하여 4%의 정밀도로 제작되었음을 확인하였고, 제작된 시료의 자기 및 광자기 성질은 자기이력곡선 등을 측정하였다. 또한 고성능 광자기 Kerr 현미경 시스템을 이용하여 자성박막에 존재하는 자기구역의 형상 및 자기구역 동력학을 관찰하였다. 이 장비는 1,000배의 배율에서 0.3$\mu\textrm{m}$의 공간분해능을 가지며 실시간 자기구역 영상을 CCD 카메라를 통해 컴퓨터에 저장함으로써, 자지구역 거동현상을 관찰할 수 있다. 자성다층박막에 존재하는 자기구역의 형상을 이론적으로 예측하기 위하여, 다층박막 구조에서의 정자기 에너지를 일반적으로 계산할 수 있는 이론을 유도하였다. 이 이론을 통해 다층박막의 자성층의 두께가 두꺼워짐에 따라, 자기구역의 형상이 단일 자기구역 형상에서 줄무늬 자기구역 형상으로 천이함을 예측할 수 있었고, 이러한 지구구역 천이현상을 Co-Pd 다층박막의 자화역전현상을 연구하였고, 새로운 자구동력학 정량분석기술을 개발하여 Co/Pd 다층박막에 적용함으로써 자화역전의 자구벽 이동속도와 핵형성 확률을 각각 정량적으로 구하였다. 이러한 관찰 및 분석기술을 통하여, Co/Pd 다층박막의 층구조에 따라 대조적인 자화역전현상이 존재함을 관찰하였다. 이러한 대조적인 자화역전현상을 결정짓는 요인을 연구하기 위해서 나노자성학이온을 이용한 자화역전현상을 결정짓는 요인을 연구하기 위해서 나노자성학이온을 이용한 자화역전모델을 개발하였으며, 이를 통하여 자성박막의 거시적 자기성질에 의해 이러한 대조적인 자화역전모델을 개발하였으며, 이를 통하여 자성박막의 거시적 자기성지에 의해 이러한 대조적인 자화역전현상이 결정될 수 있음을 설명하였다. 또한, 미시적 자기이력곡선 측정을 통하여 자성박막구조에 따른 국소적인 구조불균일성을 관찰하였고, 이러한 구조불균일성 또한 대조적인 자화역전현상을 결정하는 큰 요인임을 논의하였다.
실시간 자구 관찰이 가능한 광자기 현미경을 이용하여 강자성 나노자성체 CoFe 박막에서의 자화역전현상을 연구하였다. 흥미롭게도, 박막의 두께가 증가함에 따라 자구벽의 운동이 단일 자구벽의 운동 성향에서 무작위적인 자구들의 역전 성향으로 변함을 알 수 있었다. 또한, 자구벽 운동에서의 자구들의 점프사이즈들의 통계적인 해석 결과, CoFe박막에서의 자구역전현상이 임계지수 ${\tau}{\sim}1.33$를 가지는 임계축척현상을 보임을 알 수 있었다.
시료 크기별 자화 역전과 자기 상호작용이 보자력에 미치는 영향을 조사한 결과, 자구생성보다 자벽고착에 의한 자화 역전 현상이 지배적인 시료일수록 보자력과 각형비가 컸다. 이와 같은 현상은 자벽이 낟알 경계면이나 시료 내부에 존재하는 고착점에 강하게 포획되기 때문인 것으로 판단된다. 한편 자기 상호작용을 분석한 결과, 시료의 크기에 무관하게 모든 시료는 쌍극자 상호작용이 지배적인 상호작용 기구이며, 쌍극자 상호작용이 강한 시료일수록 보자력이 작았다. 따라서 보자력은 자화 역전 현상, 자기 상호작용 기구와 세기에도 깊이 관련됨을 알 수 있다.
두께가 다른 CoPt 자성막을 전기도금법으로 제작하여 자화역전 기구와 자기상호작용이 자기역전 부피에 미치는 영향을 연구하였다. 자기모멘트 감쇠의 시간의존성과 잔류자기화 곡선 측정결과로부터 모든 시료의 지배적인 자화역전 기구는 자벽고착에 의한 자벽이동임을 알 수 있었다. 자기점성계수 및 비가역 자화율로부터 구한 자기역전 부피는 시료의 두께 및 인가 자기장의 세기에 거의 무관하게 일정하였으나, 자기역전 부피로부터 구한 역전 직경의 크기는 두께가 두꺼울수록 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 현상은 자벽고착에 의해 제어되는 자벽운동과 쌍극자 상호작용에 의한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 dc 마그네트론 스터링법으로 CoSm 박막을 제작하여 자기적 성질의 자성층 두께 의존성을 조사하였다. 고밀도 자기기록 매체의 여러 가지 성질 중 자기역전부피는 자기기록 매체에 저장된 정보의 열적 안정성, 자화반전기구 및 잡음을 이해하는 데 매우 중요한 자료가 된다. 따라서 자기화 감쇄의 시간 의존성과 직류 demagnetization remanence 곡선 측정결과로부터 각각 점성계수와 비가역 자화율을 구한 다음 최대 점성계수 및 비가역 자화율을 이용하여 최대 자기역전부피의 두께 의존성을 조사하였다. 자기역전부피와 보자력은 CoSm의 두께가 48 nm와 24 nm에서 각각 최대를 보이다가 오히려 감소하였으나 자기이방성은 계속 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 현상은 자성층의 두께가 증가함에 따라 결정립 또는 nanocrystallites 사이의 자기적 교환 상호작용이 증가하기 때문인 것으로 해석된다.
지구 자기장은 지구 내부 및 지표면 근처에서 일어나는 다양한 자화 특성 변화에 민감하게 반응하며, 이러한 지구물리적 특성은 현장에서 측정된 자기 이상치의 정량적 분석을 통하여 특정화된다. 이 연구에서는 자기 이상치 분석에 활용될 수 있는 유한요소법 기반 수치모델링을 콤솔 멀티피직스를 사용하여 구현하였다. 구현된 수치모델링 방법은 기존에 알려진 해석해와 비교하여 그 유효성을 검증하였으며, 중앙해령에서 지자기 역전과 단층 구조 사이의 상관관계를 모사하는 데 적용하였다. 이러한 유한요소 기반의 지자기 모델링 기법은 다중 물리적 현상 모사에 손쉽게 적용될 수 있다.
크기가 서로 다른 Sr-페라이트 분말에 대한 활성화 부피의 자기장 의존성을 조사하였다. 그 결과, 입자의 크기가 큰 시료 C2 는 낮은 자기장 영역에서는 활성화 부피가 컸으나 자기장이 증가할수록 감소하였으며, 크기가 작은 시료 C3의 경우는 보자력과 거의 같은 고착 자기장에서 최대를 보이다가 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 현상은 자화 역전 현상을 설명하는 자구생성 및 자벽고착 자기장의 상대적 위치 그리고 쌍극자 상호작용의 세기에 밀접하게 관련되는 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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