Observation of quantum effects in charge nonequilibrium states with polarization analysis

Choi, Younggwan Sungkyunkwan University 2023 국내박사

This dissertation demonstrates experimental results of charge-nonequilibrium states in various quantum materials using the laser microscopy technique. Optical excitations and electrical bias realize the nonequilibrium states in this dissertation. The excitation states are measured by optical methods, e.g. magneto-optical Kerr effect (MOKE), electro-optic effect, terahertz pulse, thermoreflectance, and so on. Magnetism, topological effect, pseudo-hydrodynamic phenomena, and heat transport effects are investigated as target phenomena. For magnetic systems, I utilize the electrical/optical excitation method to perturb the magnetic states and successfully observed the spin/orbital Hall effect and related phenomena. For the topologically non-trivial system, the current-induce nonlinear Kerr rotation effect and Dirac surface states are also observed in a Weyl semimetal and a topological insulator, respectively. I also conduct charge distribution mapping experiment and I study a pseudo-hydrodynamic behavior in a semimetal. In aspect of heat transports, nanoscale heat transfer effect through atomically thin film is investigated. I also suggest a methodology of optical heat mapping with millikelvin resolution. I hope that my research results can offer useful optical methodologies and valuable information to the field of condensed matter physics. 이 논문은 레이저 분광 기술을 사용하여, 다양한 양자 물질에서의 전하-비평형 상태에 대한 실험 결과를 보여준다. 이 논문에서는 광-여기 및 전기 바이어스를 이용해 비평형 상태를 만들고, 여기된 상태는 레이저 분광 방법으로 측정된다. 이 논문에서 쓰인 광학적 방법은 자기 광학 커 효과(MOKE), 전기 광학 효과, 테라헤르츠 펄스, 열반사율 등이 있다. 자기, 위상 효과, 유사 유체 역학 현상 및 열 전달 효과를 대상 현상으로 조사합니다. 자기 시스템의 경우 전기/광학 방법을 사용하여 자기 상태를 들뜬 상태로 만들었으며, 스핀/궤도 홀 효과 및 관련 현상을 성공적으로 관찰했다. 위상 물질의 경우 전류에 의해 유도된 비선형 커 효과와 디락 표면 상태를 측정하였다. 또한 전하 분포 매핑 실험을 수행하고 반금속의 유사-유체 역학 거동을 연구하였다. 열전달 측면에서는 원자층 박막을 통한 나노미터 수준에서의 열전달 효과를 연구했다. 또한 밀리켈빈 분해능의 광학 열 매핑 방법을 제안하였다. 이 연구 결과가 응집물질물리학 분야에 유용한 광학적 방법론과 귀중한 정보를 제공할 것이라 생각한다.

Analysis of spin characteristics through various artificial spin structures

SeongsooYoon DGIST 2024 국내박사

This thesis delves into the examination of the characteristics and usability of artificially formed spin structures. In the theoretical background, the concept of exchange coupling, spin Hall effect, magneto- optical Kerr effect, magnetic domain, and magnetoresistance are briefly introduced. As the main research contributions, we describe the results of research on artificial helical spin structures and two outcomes of ultrafast spin dynamics in ferromagnetic materials. First, a multi-thin film structure was fabricated by depositing antiferromagnetic layers on and below the ferromagnetic material. It was confirmed that when the spins of two antiferromagnetic materials are aligned in different directions, an artificial helical spin structure is formed inside the ferromagnetic material due to exchange coupling, which occurs at the interface between antiferromagnetic and ferromagnetic materials. Through research on the formed helical spin structure, it was confirmed that the formation area and rotation direction of the helical spin structure were adjustable. Next we observed the phase change of spin precession depending on the composition and pump fluence of the NiFe alloy film. This change is a phenomenon that is challenging to explain solely with the temperature dependence of magnetocrystalline, demagnetizing, and Zeeman fields that explain spin dynamics, showing that magnetoelasticity is an important factor in understanding ultrafast spin dynamics. Lastly, a method to obtain the spin wave exchange constant of ferromagnetic materials was studied. Spin wave analysis was performed by simultaneously measuring Kerr rotation and ellipticity on both sides of a single film. This method showed the advantage of being able to obtain the spin wave exchange constant of a ferromagnetic material without considering the effect of thin film thickness. The studies covered in this thesis present various directions for studying the spin dynamics of ferromagnetic materials. It is expected that they will contribute to the design and improvement of spintronic devices through spin analysis and structure formation of the presented ferromagnetic material. Keywords: Artificial spin structure, Spin Hall effect, Magneto Optical Kerr effect, Ultrafast spin dynamics 본 논문은 인공적으로 형성된 스핀 구조들의 특성에 대한 연구와 활용성에 대하여 다룬다. 이론적 배경에서는 교환 결합에 대한 개념과 스핀 홀 효과, 자기 광학 커 효과, 자기 도메인, 자기 저항에 대하여 간략하게 소개한다. 본문에서는 인공적인 나선형 스핀 구조에 대한 연구 결과와 강자성체의 초고속 스핀 역학에 대한 두 가지 연구 결과를 기술한다. 먼저, 강자성체의 위, 아래에 반강자성체 층을 증착한 다중 박막 구조를 제작하였다. 두 반강자성체의 스핀을 서로 다른 방향으로 정렬시키게 되면 계면에서 생기는 반강자성체와 강자성체 사이의 교환 결합으로 인하여 강자성체 내부에 인공적인 나선형 스핀 구조가 형성됨을 확인하였다. 형성된 나선형 스핀 구조에 연구를 통해 나선형 스핀 구조의 형성 영역과 회전 방향이 조절 가능함을 확인하였다. 다음으로 NiFe 합급 박막의 조성과 펌프 플루언스에 따른 스핀 세차 운동의 위상 변화를 확인하였습니다. 해당 변화는 스핀 동역학을 설명하는 magnetocrystalline, demagnetizing 과 Zeeman field 의 온도 의존성만으로는 설명이 어려운 현상으로 자기 탄성이 초고속 스핀 역학의 이해에 중요한 요소임을 보여주었다. 마지막으로 강자성체의 스핀파 교환 상수를 얻기 위한 방법에 대해 연구하였다. 단일 필름의 양면에서 동시에 Kerr rotation 과 ellipticity 를 측정하여 스핀파의 분석을 진행하였다. 이 방법은 박막의 두께에 의한 효과를 고려하지 않고 강자성체의 스핀파 교환 상수를 얻을 수 있다는 강점을 보였다. 본 논문에서 다룬 연구들은 강자성체의 스핀 역학을 연구하는 다양한 방향을 제시하였다. 제시된 강자성체의 스핀 분석과 구조 형성에 방향성을 통해 스핀트로닉스 소자의 설계와 개선을 하는데 기여할 것으로 기대한다.

(The) study of the magnetic properties on epitaxial magnetic films and the ion irradiation effect

성면창 연세대학교 대학원 2001 국내박사

본 논문에서는 두 가지의 적층 생장된 자성박막과 여기에 고에너지를 입사하였을때의 효과에 대해 연구하였다. 시료는 HF처리된 Si (100) 기판을 사용하였고 실온 중에서 전자빔 증착과 열증착 방법을 사용하였다. 먼저 기판위에 Co/Cu 다층박막을 적층 생장시켰고, 이 다층박막의 구조와 자성특성을 RHEED, XRD, MOKE 그리고 MR측정을 통하여 조사하였다. 특히 자성특성에서 이방성을 알아보기 위한 방법으로 시료를 회전하면서 각에 대한 변화를 아울러 관찰하였다. 적층성장된 다층박막의 구조는 다른 연구자의 보고와 동일하게 fcc (100)이었으며 기판에 대해 평면상에서 45˚ 회전한 구조를 보였는데 이는 RHEED, XRD에서 확인할 수 있었다. 각도에 따라 측정된 MOKE, MR결과로부터 이 시료가 이축자기이방성을 보임을 알 수 있었고, 이는 fcc (100)평면의 이축 대칭성 즉 다층박막의 구조와 연관된 결정이방성의 영향임을 확인할 수 있었다. 주목할 만한 점은 MR측정시에 자화용이축에서 보이는 큰 MR값으로서 이도 또한 이축이방성과 밀접한 연관을 가짐을 짐작할 수 있다. 이 Co/Cu 다층박막의 자기적 특성을 변화시키기 위하여 고에너지 (1MeV) C+이온을 조사하였는데, 이 결과 결정의 구조적 특성 즉 fcc (100) 결정구조는 변하지 않으면서도 자기적 특성은 변함을 관찰하였다. 오히려 결정성은 더 좋아졌으며 이는 XRD의 반폭치의 감소로 확인하였다. 자기적 특성에서는 보자력의 감소와 자기이력곡선의 향상이 눈에 띄는 변화이며 이는 다른 연구자의 다결정 시료의 이온조사효과와 유사한 결과를 주었다. 그리고 MR측정결과 다결정과 결정 모두 1% 이하로 급격히 감소하였는데 이러한 결과는 결정의 크기의 증가에 따른 현상임을 추정할 수 있었다. 두 번째 시료로서 대표적인 수직자기이방성 (PMA)을 보이는 Cu/Ni/Cu/Si(100)시료를 적층 생장시켰다. 결과 Ni 두께가 25~85Å에 이르는 넓은 범위에서 수직자기이방성이 관찰되었으며, 그 이상에서는 점진적인 자화방향의 이동 (SRT)이 관찰되었다. 이 구조의 수직자기이방성은 Cu와 Ni의 원자사이 간격의 차이로 인한 strain 때문임이 알려져 있는데, 이 Ni두께의 변화에 의한 수직자기이방성과 strain의 변화를 polar-MOKE와 XRD를 이용하여 알아보았다. 특히 자기이방상수를 결정하기 위하여 특별한 방식의 polar-MOKE를 고안하였다. Co/Cu박막의 경우와 마찬가지로 이 시료도 고에너지 이온조사를 통한 자기특성의 변화를 관찰하였는데 이는 strain이 Ni 박막의 수직자기이방성을 좌우하는 중요한 요소이고 또한 Co/Cu다층박막에서 보듯 고에너지 이온조사가 strain을 변화시킨다는 점을 착안한 것이다. 즉 고에너지 이온조사를 통하여 그 결정구조를 변화시키지 않고 strain을 감소시킴으로서 수직자화방향으로부터 수평자화방향으로 SRT가 일어남을 확인하였으며, strain의 감소는 XRD로부터 확인할 수 있었다. 또한 결정성의 손상이 없었으며 fcc (100) Ni의 이축이방성도 이온조사전이나 이온조사후나 그 특성을 유지하였다. 따라서 고에너지 이온조사를 통하여 Ni 박막의 strain을 조절 할 수 있음과 이에 따른 자화방향을 변화시킬 수 있음을 알 수 있었다. In this thesis, two epitaxial structures and the effect of its high energy ion irradiation will be discussed. The epitaxial samples were grown on HFtreated Si(100) substrate by an electron beam and thermal evaporator at room temperature. First, epitaxial Co/Cu multilayers were grown on Si(100). The structure of multilayer films was observed by an in-situ RHEED and a high angle XRD. Their magnetic properties were then measured by the longitudinal MOKE and the MR measurement with azimuthal rotation to inspect the anisotropy of samples. The films showed a fcc(100) structure deposited in 45˚ rotated orientation in plane with respect to the Si(100) substrate, which is confirmed by RHEED and XRD. The fourfold anisotropy was observed with at all samples in MOKE and MR measurement and is due to magnetocrystalline anistorotpy, which is related with the fact that fcc (100) planes have structural four-fold symmetry in cubic structures. The MR measurement showed similar fourfold anisotropy and it should be observed that it has a very strong MR at an easy axis that may be attributed to the fourfold symmetry of films. As the next step, the epitaxial and the polycrystalline Co/Cu multilayer samples were irradiated with high energy ion beams, C+ (1MeV) with ion dose 1×1016/cm2. We used the novel method of MeV ion irradiation to modify extrinsic magnetic properties without affecting intrinsic properties. After ion irradiation, the fcc structure and the fourfold magnetic anisotropy with [110] easy axis are conserved while the coercivity decreases and the squareness of the hysteresis loop is improved. Furthermore, the MR ratio was decreased below 1% in both samples. This is explained by the improved structural quality such as grain growth and strain decrease as proven by XRD. We believe that these variations are due to local atomic rearrangements caused by energies transferred to multilayers via ionization and lattice phonon during ion irradiation. The epitaxial fcc (100) Cu/Ni/Cu/Si (100) structure was grown as a second experiment. We observed the PMA characteristics over the large range(25∼85Å) of Ni thickness and spin reorientation transition (SRT). The strain of Ni films decrease as Ni's thickness increase. This is due to the misfit dislocation shown by XRD. In order to measure the magnetic anisotropy constant, we used the modified polar MOKE setup. To control the strain and PMA characteristics, the samples were irradiated by C+ (1MeV) with ion dose 2×1016/cm2 , and as a motivation, the high energy ion irradiation affected the strain of films and the PMA of Cu/Ni/Cu/Si(100) was due to the strain of Ni films on Cu(100). The transition from out-of plane to in-plane was observed after ion irradiation, and their crystal ordering and fourfold anisotropy were unchanged by ion irradiation. This transition is due to the strain relaxation of Ni films, which is confirmed by XRD measurement. It is concluded that we can control the strain of Ni films and the orientation of magnetization by high-energy ion irradiation.

The study of anti-symmetric exchange interaction in heavy metal/ferromagnet multilayer structures

Jinyong Jung DGIST 2022 국내박사

Recently, the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction has been intensively investigated in the spotlight. This phenomenon is significantly considered due to potential application as it could open new paths to manipulate a quasiparticle information based on skyrmion. From several reports, the magnetic skyrmion state is well-known depending on Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density. To investigate this fun-damental asymmetric exchange interaction, the exact and reliable method in the quantitative determination of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density is highly required. Therefore, we study the magnetic thin film structure of the heavy metal (HM)/ferromagnet (FM) multilayers involving the perpendic-ular magnetic anisotropy obtained from the strong spin-orbit coupling of the heavy metal layer in this Thesis. Especially, we focus on the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density and the perpendicu-lar magnetic anisotropy. For the measurements, the Brillouin light scattering spectroscopy, hence, is mainly used. This measure-ment system is a well-known multi-purpose tool to investigate the thermally excited propagating spin wave to obtain the fundamental magnetic properties such as the perpendicular magnetic anisotropy, the saturation magnetization, the exchange stiffness constant, and the magnetic damping simultaneously. Furthermore, it can be directly determined the Dzyaloshinskii-Moriya interaction derived from the spin wave frequency dif-ferences of propagating spin waves in the spectrum of Brillouin light scattering spectroscopy. The main results are composed in the two parts such as the HM1/ferromagnet/ HM2 heterostructures depending on the stack-ing order of the HM, and the investigating method with anti-reflection layer for an accurate determination of interfacial Dzyalshinskii-Moriya interaction energy density in the HM/FM multilayers. These results are shown the potentiality for the finding of a stable skyrmion state and the more precise interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density by an using anti-reflection layer. 쟐로신스키-모리야 (Dzyaloshinskii-Moriya, DM)상호작용은 교환 상호작용의 한 종류로, 하이젠베르크 교환 상호작용과 다르게 스핀궤도 결합이 큰 물질과 인접한 자기모멘트 사이에서 작용하는 비대칭 교환 상호작용이다. 최근 DM 상호작용은 전류에 의해 동작하는 자구 벽의 이동속도를 현저히 증가시키며, 특히 스핀들이 소용돌이 모양으로 배열되는 자기 스커미온 구조를 형성하는데 중요한 역할을 한다는 것이 보고되었다. 자기 스커미온은 저전력, 고밀도, 초고속으로 구동 할 수 있다는 예측과 준입자 상태를 갖는다는 장점으로 차세대 자기메모리로 각광받고 있는 스핀궤도 돌림힘 기반 자기메모리 소자를 비롯하여 미래의 스핀트로닉스 소자의 중요한 후보로 대두되고 있다. 이러한 이유로 안정적인 자기 스커미온을 형성하기 위해 DM 상호작용과 수직 자기이방성에 대한 연구는 매우 중요하다. 이론적으로 안정적인 자기 스커미온 형성은 DM 상호작용을 갖는 자구 벽 에너지 밀도가 0 혹은 음수가 되는 것을 선호한다. 현재까지 다양한 방법으로 DM 상호작용을 측정하는 기술이 개발되었으며, 관련 연구도 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 중금속/강자성 다층 자기박막의 구조에서 중금속층의 강력한 스핀궤도 결합으로 얻은 DM 상호작용과 수직 자기이방성의 물리적 현상에 초점을 맞추어 수행되었다. 물리적 현상을 조사하기 위해 브릴루앙 광 산란 (Brillouin light scattering) 방법이 주요하게 이용되었다. 이 측정방법은 입사하는 빛을 이용하여 열적으로 들뜬 스핀파를 조사하여 DM 상호작용, 수직 자기이방성, 포화 자화, 교환 뻣뻣함 상수, 자기 감쇠 상수 등 기본적인 자기적 특성을 동시에 측정할 수 있는 다목적 측정도구이다. 본 논문은 크게 두 가지의 주요한 연구를 수행한다. 첫 번째 연구는 스핀궤도 상호작용의 물리적 현상을 관측하기 위해 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 구조적으로 동일하지만, 물질의 적층 순서가 역전된 Pd/Co/Pt과 Pt/Co/Pd의 시료를 제작하여 수행하였다. 실험결과 증착 순서에 따라서 수직 자기이방성이 크게 감소함을 실험적으로 관측하였다. 이 현상은 스퍼터를 이용하여 물질의 증착 순서에 따라서 침투하는 정도가 다르고, 이에 따라서 혼합이 일어나는 정도가 달라지는 것으로 해석할 수 있다. 하지만 수직 자기이방성의 극적인 변화에도 DM 상호작용 에너지 밀도는 크게 변화하지 않는 다는 것을 실험적으로 관측하였다. 실험결과를 기반으로 외부자기장이 없는 환경에서 Pd/Co/Pt 구조는 특정한 Co 두께에서 자구 벽 에너지 밀도가 음수가 되는 영역을 갖는다는 것을 계산을 통하여 증명하였다. 두 번째 연구는 신뢰성 있는 DM 상호작용 에너지 밀도 결정과 관련이 있다. DM 상호작용을 관측하기 위하여 브릴루앙 광 산란 분광계는 필수적으로 요구되는 장비이다. 근본적인 비대칭 교환상호작용을 조사하기 위하여, 계면 쟐로신스키-모리야 상호작용 에너지 밀도의 정확하고 신뢰할 수 있는 정량적 측정방법이 요구된다. 하지만 측정하는 시료의 거칠기 및 계면의 구조적인 형태에 따라서 자성층 계면에서 스핀파의 형성이 어려운 경우가 있으며, 이는 스핀파의 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR)가 낮은 실험결과를 초래한다. SNR이 낮은 경우 다양한 물리적 특성을 정확하게 분석하기 어렵다. 이러한 실험적 한계를 극복하기 위해 자기광학 학계에서 잘 알려진 방법인 무반사 코팅 (Anti-reflection coating)을 이용하여 스핀파의 크기를 획기적으로 증가시켰다. 물질 간 계면에서 일어나는 다중반사와 반전대칭이 깨진 구조를 위해 무반사 층으로 MgO를 사용되었다. 이 연구를 통하여 무반사 코팅을 이용하여 신뢰성 있는 DM 상호작용 에너지 밀도 측정을 실험적으로 증명하였다. 본 연구는 상온에서 외부 자기장 인가없이 간단한 구조의 자성박막에서 자기 스커미온을 형성하는 새로운 방법을 제시하였고, 자기 스커미온 생성과 관련하여 주요한 물질의 특성인 DM 상호작용 에너지 밀도의 신뢰성 있는 결정방법을 제안하였다. 이 결과는 현재 활발히 연구되고 있는 스핀궤도 돌림힘 기반 자기메모리 소자와 자기 스커미온 기반 소자의 응용연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

Stochasticity of Domain Wall Motion in Various Regimes of Domain Wall Speed

남윤석 서울대학교 대학원 2021 국내박사

The magnetic domain-wall motion in ferromagnetic film is attracting considerable attention for its academic importance and 문제possibility of technological application as the next-generation memory device. In particular, current driven domain-wall motion has been studied since its theoretical possibility was presented in the 1980s. Among them, the stocahsticity of domain-wall motion is important field of study in order to secure the reproducibility of the device operation. To study the stochasticity of domain-wall motion, scanning magneto-optic Kerr effect (MOKE) microscope is utilized to measure domain-wall motion and spin torque. Also, an electric measurement system applying the anomalous hall effect is set up to measure the DW speed over several m/s. Thus, distribution pattern of domain-wall motion with various velocity regions from creep regime to flow regime are measured. First, a modified experimental method is presented to measure the strength of the Heisenberg exchange interaction in ultrathin magnetic films. The exchange stiffness constant is calculated based on the strength of the magnetic field for chirality transition from Bloch type domain-wall to Néel type domain-wall by measuring the spin orbit torque under several in-plane magnetic fields. Also, exchange stiffness of Pd/Co/Pd is determined by presented method, and the correlation between the exchange interaction and the thickness of the magnetic layer is revealed. Second, the experimental observation of distinct stochasticities between current induced domain-wall motion (CIDWM) and field induced domain-wall motion (FIDWM) is reported by measuring domain-wall motion of different magnetic materials of Pt/Co/Pt and Pt/Co/Ta. From the results, it is confirmed that the stochasticity of CIDWM is much larger than that of FIDWM. Deppining process of the CIDWM and FIDWM is investigated through the full-field MOKE microscope to determine the origin of this phenomena. Through the analysis, it is revealed that CIDWM has a larger dispersion compared to FIDWM due to different depinning mechanism between CIDWM and FIDWM. Finally, a study is conducted on the dispersion of CIDWM in various DW speed regimes. As a result, it is confirmed that there are region in which the stochasticity of CIDWM is constant with according to the induced current and region in which the stochasticity of CIDWM is decreased according to the induced current. We obtained that a region that the stochasticity is constant according to the induced current is similar to the dispersion pattern of the one dimensional FIDWM. We expect that these studies can play a key role at securing the reproducibility of devices in technological application based on current-driven magnetic domain-wall motion. 자구벽 운동은 그 학술적 가치 뿐만이 아니라 기존의 메모리 소자를 대체할 차세대 메모리 소자의 구동원리로 각광받고있다. 특히 전류 구동 자구벽 운동은 1980년대 그 이론적 가능성이 제시된 이래 현재까지 많은 연구가 이뤄져 왔다. 그 중 자구벽 운동의 산포연구는 기술 개발의 측면에서 소자 동작의 재현성 확보를 위해 많은 연구가 필요한 분야이다. 이에 대해 연구를 진행하기 위해 주사형 광자기 커(Kerr) 현미경을 사용하여 자구벽 운동과 스핀 토크 (spin torque) 를 측정하였으며, 수 m/s 이상의 빠른 속도를 가진 자구벽 운동의 측정을 위해 비정상 홀 효과 (anomalous hall effect) 를 활용한 전기측정 시스템을 제작하였고 이를 통해 자구벽 운동의 creep 영역에서 flow 영역까지 다양한 속도 영역의 산포 양상을 측정했다. 우선 나노미터 영역의 얇은 자성층 두께를 가진 자성 시료의 교환 상호작용에 대해 기존에는 비교적 측정이 용이했던 부피 값을 바탕으로 자구벽 운동 연구가 이어져 왔으나, 스핀 궤도 토크 (spin orbit torque) 를 바탕으로 한 개선된 측정법을 제시해 나노미터 영역의 얇은 자성 시료에 대해 정확한 교환 상호작용의 크기를 구할 수 있게 되었으며 이를 바탕으로 다양한 두께의 Pd/Co/Pd 시료에 대해 교환 상호작용 크기 측정을 통해 자성층의 두께에 와 교환상호작용 사이의 상관관계를 밝혔다. 이어서 Pt/Co/Pt 와 Pt/Co/Ta 의 서로 다른 자성 물질에 대해 전류 구동 자구벽 운동 과 자기장 구동 자구벽 운동의 산포연구를 진행했고 이를 통해 전류 구동 자구벽 운동이 자기장 구동 자구벽 운동에 비해 훨씬 더 큰 산포를 가짐을 확인했다. 이에 대해 수직 광자기 커 (MOKE) 현미경을 통해 전류 구동 자구벽과 자기장 구동 자구벽 운동의 디피닝 (deppining) 과정 을 관찰했으며 이를 통해 전류 구동 자구벽 운동이 자기장 구동 자구벽 운동에 비해 더 큰 산포를 가지는 이유가 두 운동 사이의 디피닝 메커니즘을 가지기 때문임을 밝혔다. 마지막으로 다양한 속도 영역에서 전류 구동 자구벽 운동의 산포연구를 진행했다. 이를 통해 전류밀도의 증가에 따라 전류구동 자구벽 운동의 산포가 일정한 구간과 줄어드는 구간이 있음을 확인하였으며, 이중 전류의 증가에 따라 전류 구동 자구벽 운동의 일정한 산포양상이 전류 구동 자구벽 운동이 디피닝 메커니즘으로 인해 1차원에서의 자기장 구동 자구벽 운동의 산포양상과 유사하다는 결과를 얻었다. 이를 통해 전류 구동 자구벽 운동의 산포양상을 이해하면서 자구벽 운동에서의 산포를 조정 할 수 있음을 확인했다. 이를 바탕으로 본 연구가 전류 구동 자구벽 운동을 기반으로 한 기술 개발에서 소자의 재현성 확보에 주요한 역할을 할 수 있을 것이라고 기대한다.

Magnetic anisotropy of ferrimagnetic GdxCo1-x alloy

Alemayehu, Rekikua Sahilu Sungkyunkwan university 2020 국내석사

Antiferromagnetically coupled rare-earth-transition-metals (RE-TM) ferrimagnetic alloys are promising materials for data storage devices. Understanding and quantifying the magnetic properties is essential to incorporate these materials into future technological demands. Here, we investigate the magnetic anisotropy of the GdCo alloy with variable stoichiometries using the time-resolved magneto-optic Kerr effect (TRMOKE), anomalous Hall effect (AHE), and vibrating sample magnetometer (VSM) measurements. The time-resolved Kerr effect measures the precession frequency, and the anomalous Hall effect measures the saturation field. Our results reveal a discrepancy in the magnetic anisotropy determined from the three methods.

Porous anodic aluminum oxide를 이용한 Co 나노구조의 자기적 특성

정영숙 연세대학교 대학원 2002 국내석사

n-type Si 기판에 Al 5000Å을 올린 박막으로 양극산화를 하였다. Al 표면을 TC, 아세톤으로 전처리한 후 two-step anodization과정을 이용하여 porous anodic aluminum oxide(AAO) template를 제조하였다. 전해용액으로는 0.3 M 옥살산을 사용하였으며, 양극산화 시간과 전압을 달리하여 나노기공의 직경을 변화시켰다. scanning electron micrograph(SEM)을 통하여 나노기공 직경, 나노기공 사이의 간격이 일정함을 확인할 수 있었다. 이들 AAO를 이용하여 UHV chamber에서 열저항증착(thermal evaporation) 방법을 이용하여 1×10^(-9) torr에서 0.2 Å/sec의 증착 속도로 Co 나노구조를 성장하였다. Co 나노구조의 배열상태를 확인하기 위하여 알루미나 제거 후 SEM을 사용하였다. Co 나노구조의 길이에 따른 보자력 등 자기적 특성을 magneto-optic kerr effects(MOKE)를 사용하여 측정하였다. bulk Co는 in-plane만 나타나는데 비해 Co 나노구조는 in-plane. polar MOKE가 나타났다. Co 증착 두께가 두꺼울수록 자화용이축이 Co 나노구조와 평행해진다는 것을 알수 있었다. Co 두께는 Co 나노구조에 수직한 방향, 즉 in-plane 방향에는 영향을 미치지 않았다. Following pretreatment in TC, acetone Al(5000Å)/n-type Si was anodized. Porous anodic aluminum oxide(AAO) template was formed by in 0.3 M oxalic acid solution. Pore diameter was varied by changing anodizing time and voltage. AAO array was characterized using SEM. Co/Al_(2)O_(3)/Si films were grown by thermal evaporation. The sample was grown in room temperature at 0.2 Å/sec growth rate, 1×10^(-9) torr on Al_(2)O_(3)/Si. Following removal of alumina(Al_(2)O_(3)), Co nano structure array was characterized using SEM. Magnetic properties of Co nano structures were observed by magneto-optic kerr effects(MOKE). Bulk Co has only in-plane, but Co nano structure has both in-plane and polar MOKE. Easy-axis was varied from perpendicular to parallel to Co nano structure when Co thickness was increased. Co thickness didn't effect a change in parallel direction.

Investigation of the shape anisotropy in the micron-sized wires

예원수 Graduate School, Yonsei University 2002 국내석사

미세한(마이크로 크기) 선(폭과 사이의 크기를 각각 3, 10, 50, 100㎛) 의 30㎚두께의 다결정시편 Ni_(81)Fe_(19)에 대해 자장의 각도를 달리하면서(0, 30, 45, 60, 90°) 각각의 선에 대해서 자기이방성을 측정하였다. 패턴되지 않은 필름은 선축에 자화용이축이 나타났으며 형상에 의한 자기이방성은 3과 10㎛에서 관찰되었다. 10㎛이하에서 보자력이 상당히 증가하였으며, 폭이 감소함으로서 포화자화는 증가하였다. 잔류자화는 자장의 각도가 0에서 90°로 증가할수록 감소하였다. 가장 큰 보자력은 3㎛, 60°에서 나타났으며, 이론적인 포화자화와 3, 10㎛에서의 포화자화는 0과30°에서는 일치하였으나 다른 각도에서는 일치하지 않았다. 그러나 Feee Pole의 가정으로부터, 자장의 각도가 45, 60, 90°에서 3과 10㎛의 포화자화가 Free pole의 거리의 제곱에 반비례하는 것을 보여주었다. 이것으로부터 우리의 가정이 실험적인 결과와 잘 일치하는 것을 보여주었다. The shape anisotropy of the 30㎚ thickness polycrystalline Ni_(81)Fe_(19) film patterned into micron-sized wires whose widths and separations are 3, 10, 50, and 100㎛ has been studied. The magnetization loops of the grating structures were measured with the field 0, 30, 45, 60, and 90° to the wire axis. The continuous film shows the easy axis of the magnetization along the wire axis and the hard axis of the magnetization at 90°. The effect of shape anisotropy is observed at the 3 and 10㎛ width wires. Below 10㎛ the coercive field increases markedly in field directions applied 0, 45, and 60°. As the wire width is reduced, the saturation field strongly increases. The remnant magnetization decreases as the field direction increases from 0 to 90° and almost constant at specific angle. A maximum coercive field is shown at 60° and 3㎛, and good agreement is shown between 3㎛ and the calculation at angle between 0 and 30°. The saturation field of the calculation almost does not agree to that of the 3 and 10㎛. From our assumption, at angle 45, 60, and 90° 1/x^(2), the inverse square of the distance of the free pole, is directly proportional to the saturation field of the 3 and 10㎛. This shows that our assumption agrees with the results of experiment below 10㎛.

Porous anodic aluminum oxide를 이용한 Co, Ni 나노구조체 제작 및 특성연구

박재찬 연세대학교 대학원 2003 국내석사

Si 기판 위에 증착한 8000Å Al 박막을 전처리한 후, two-step anodization 과정을 이용하여 porous anodic aluminum oxide (AAO) 박막을 제조하였다. 전해용액으로는 0.3 M 옥살산을 사용하였으며, 제조과정에서 존재하는 공정변수들(용액의 농도, 온도, 종류, 전압, 시간 등) 중 본 연구에서는 Voltage, 양극산화의 시간, Widening 시간 등, 세 변인을 설정하여 실험을 수행하였다. 만들어진 AAO를 Template로 이용하여 UHV chamber에서 열저항증착 (thermal evaporation) 방법으로 Co, Ni 박막을 성장한 후, AAO를 제거하여 자성 나노구조체를 만들었다. Co, Ni 나노구조의 길이에 따른 보자력 등 자기적 특성을 magneto-optic kerr effects(MOKE)를 사용하여 측정하였다. 따라서 본 연구에서는 일련의 실험 과정을 소개하고 변인에 따른 AAO template의 Pore size, density, structure 변화양상과 Co, Ni 나노 구조의 형태에 대해 Scanning Electron Microscope(SEM)을 통해 연구 분석해 보았다. Al(8000Å)/n-type Si was anodized. Porous anodic aluminum oxide(AAO) template was formed by in 0.3 M oxalic acid solution. Pore diameter was varied by changing anodizing time and voltage. AAO array was observed by using SEM. Co, Ni nanoparticles have been fabricated on Si substrate by evaporating Co, Ni onto nanoporous AAO template/Si and then removing remaining AAO. Co and Ni was grown on Al_(2)O_(3)/Si film by thermal evaporation. The sample was grown in room temperature at 0.2 Å/sec growth rate, 1×10^(-9) torr on Al_(2)O_(3)/Si. Magnetic properties of Co, Ni nano structures were measured by magneto-optic kerr effects(MOKE). The remaining Co, Ni nanostructures are superparamagnetic. The Co, Ni nanostructures remain stable on Si substrate after removing AAO by chemical etching. It has shown that AAO film can be used as a template for fabricating nanostructures on any substrate.

Pump-Probe Measurement Techniques for Determining Curie Temperature Distribution and Gilbert Damping

Dai, Zhengkun Carnegie Mellon University ProQuest Dissertations 2019 해외박사(DDOD)

This doctoral thesis presents two experimental studies utilizing the pump-probe technique with pulsed laser systems to measure (1) Curie temperature distribution in granular FePt-L10 magnetic thin film for heat assisted magnetic recording (HAMR) applications and (2) Gilbert damping constants, with the ability to distinguish interfacial and bulk contributions of magnetic multilayer structures.For the first study, the granular thin film sample consists of a two-dimensional closely packed FePt metallic grains with non-magnetic carbon grain boundaries. A laser pulse, of 1064 nm wavelength and 700 ps pulse duration, is used to heat a localized area uniformly in a controlled magnetic field. The magnetization of the grains after the heating is probed utilizing Kerr effect. By varying the laser pulse energy, the heating temperature of the sample can be varied with accurate precision in controlled manner. By heating/cooling the sample across the Curie temperature at different magnetic fields, Curie temperature distribution of the grains can be characterized with precision. This method was published and widely adopted by the recording industrial. In the thesis, all the detailed experimental setups and considerations, as well as experimental measurement procedures are clearly described. The idea of utilizing magnetic oxide grain boundary to reduce Curie temperature distribution is proposed and proved in experiment. The pump-probe method is extended to measure the temperature dependence of anisotropy field around Curie temperature.For the second study, a different pulsed laser system was built using a ultrafast laser with pulse width of 80-100fs for examining the magnetization dynamics in multilayered magnetic thin films. In this scientific investigation, the pump pulse is used to excite the magnetic moment of the sample away from equilibrium and a probe pulse with varying time delay is used to measure the magnetization precession and damping motions that immediately follows excitation. Micromagnetic dynamic modeling is established to analyze the dynamic magnetization orientations to extract the magnetization resonance frequency and the Gilbert damping constant. The developed method is capable of measuring magnetization dynamics in gigahertz to sub-terahertz range. Using this experimental setup, Co/Pt multilayered magnetic thin films with perpendicular anisotropy have been studied. It is found that in this system, there are two distinctive contributions to the overall Gilbert damping of the multilayers: One from interface and the other one from bulk. When the magnetic layers having thickness in nanometer scale, the interfacial damping dominates. Comparison between sandwiched magnetic thin films with Co as magnetic layer and Pt/Ir as nonmagnetic layers shows the nonmagnetic material and the interfacial coupling determine the overall damping together.