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

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• List of Figures = ⅳ
• List of Table = ⅸ
• Abstract = ⅹ
• Ⅰ. Introduction = 1
• Ⅱ. Theory = 5
• 2.1. Magnetic anisotropy = 5
• 2.2. The perpendicular magnetic anisotropy in Cu/Ni/Cu/Si (100) structure = 9
• Ⅲ. Experiment = 15
• 3.1. Sample preparation = 15
• 3.2. Film growth = 15
• 3.3. Analysis = 19
• 3.3.1 RHEED, XRD = 19
• 3.3.2. Magneto-Optic Kerr Effects (MOKE) = 19
• 3.3.3. Magneto-resistance (MR) measurement = 22
• 3.4. Ion implantation = 23
• Ⅳ. The characteristics of epitaxial Co/Cu multilayers = 25
• 4.1. The structural characteristics of epitaxial Co/Cu multilayers = 26
• 4.1.1. RHEED measurement = 26
• 4.1.2. high angle XRD = 30
• 4.2. The magnetical characteristics of epitaxial Co/Cu multilayers = 36
• 4.2.1. The angular variation of MOKE hysteresis loop = 36
• 4.2.2. The angular variation of Magneto-Resistance = 40
• Ⅴ. The effect of high energy ion irradiation on epitaxial Co/Cu multilayers = 49
• 5.1. experimental procedure = 50
• 5.2. The variation of structure on the epitaxial Co/Cu multilayers afterion irradiation = 51
• 5.3. The variation of magnetic properties on the epitaxial Co/Cu multilayers afterion irradiation = 55
• Ⅵ. The characteristics of fcc (100) Cu/Ni/Cu Si (100) films = 61
• 6.1. Experimental procedure = 62
• 6.2 The structural characteristics of the epitaxially-grown Cu/Ni/Cu/Si (100) = 62
• 6.2.1. RHEED observation = 62
• 6.2.2. High angle XRD = 66
• 6.3. The magnetic properties of the epitaxially grown Cu/Ni/Cu/Si (100) = 72
• 6.3.1. The standard polar MOKE measurement = 72
• 6.3.2. The modified MOKE set-up = 75
• 6.3.2.1 The theory of modified MOKE measurement = 76
• 6.3.2.2. The second method of modified MOKE measurement = 77
• 6.3.2.3. The modified MOKE measure mentoncanting magnetization = 86
• Ⅶ. The effect of high energy ion irradiation on fcc (100) Cu/Ni/Cu Si (100) films = 90
• 7.1. The effect of high energy ion irradiation on perpendicular magnetic anisotropy(PMA) = 91
• 7.2. The evidence of strain relaxation : XRD measurement = 96
• Ⅷ. Conclusion = 102
• References = 105
• 국문요약 = 105