magnetic perpendicular anisotropy(수직 이방성) _ demagnetization(반자화)

정의상 가정	자기 이방성 에너지(magnetocrystalline anisotropy energy) 스핀궤도결합(spin orbit coupling) 강자성체에서 에너지 대역(band theory in ferromagnetic) CoFeB (CFB, 코발아이언보론), MgO
내용상 가정	multilayer of thin films_magnetic dead layer, seed layer, buffer layer, capping layer , free layer, pinned layer, fix layer 격자(lattice)
공식
단위
응용	CoFeB (CFB, 코발아이언보론), MgO 전기장 제어 자기이방성(voltage controlled magnetic anisotropy, VCMA)

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자기 이방성 에너지(magnetocrystalline anisotropy energy)에서 물질에서 자성이 한 축 방향으로만 있기를 좋아하는 현상을 자기 이방성이라고 했습니다.

어떤 강자성체 박막이 있을때

두꺼울때는 in-plane방향이 easy axis이다가

얇아지면서 out-plane으로 easy axis가 바뀌는 신기한 현상이 발견됩니다. 

사실 강자성체가 얇아지는 것만으로 발생하는 것은 아닙니다.

  

강자성체에서 에너지 대역(band theory in ferromagnetic)에서 언급했듯 3d4s orbital구조에서 4s는 전도를, 3d는 물질의 자성을 결정하는 전자 구름이라 하였습니다.

 

즉 물질의 자기 이방성도 어쨌든 3d orbital의 성질에 따라 결정된다고 생각 할 수 있습니다.

이때 이 강자성체에 Oxide물질이나 para-magnet과 같은 다른 물질이 접합한다면, 3d orbital의 quasisperical symmetry가 깨져 비대칭에 에너지를 맞추다보면 자화방향이 interface를 향하게 됩니다.

예를 들어 Fe-Pt의 multi layer의 경우 Fe와 Pt의 3d와 5d orbital의 size mismatch 때문에 tetragonal distortion이 발생하여 자성체가 아닌 Pt에 polarization이 발생하는 과정에 강한 spin orbit coupling으로 수직이방성이 강해지게 됩니다.

다만 엄청 얇을 때이어야 강자성체 전체가 영향을 받을 수 있습니다.

정리하자면 기존 3d orbital의 planar symmetry가 깨지고 3d orbital moment가 바뀌어 spin orbit coupling의 방향이 바뀌게 됩니다.

 

따라서 easy axis가 perpendicular로 바뀌게 됩니다.

참고로 모든것은 결정구조를 통해 나오기때문에 물질의 증착후 어닐링은 필수 입니다.

예를 들어 Heavy metal/CoFeB/MgO에서 CoFeB와 MgO는 스핀궤도결합(spin orbit coupling)가 적고 heavy metal만이 Spin orbit coupling이 커서 Heavy metal과 CoFeB의 interface에서 PMA가 크게 존재하게 됩니다.

 

결정학적 관점에서 seed layer에 있는 결정구조와 맞게 강자성체가 배열된다면 sputtering으로 물질을 증착한뒤 어닐링을 한다면 결정구조가 만들어지고 이방성이 형성됩니다.

또 다른예로 paramagnetic인 Pd를 Ferromangetic인 Co물질 사이에 삽입하여 [Pd/Co]n의 multilayer를 쌓게된다면 exchange interaction을 하게되어 수직이방성이 생성되게됩니다.

 

이 수직이방성으로 사용하는 물질은 여러가지가 있습니다.

대충의 원리는 위에서 소개했으므로 그 종류에 대해서만 논해보자면

L10-ordered alloy (FePt 등), Multilayer, superlattice, RE-TM alloy(Tb-Co등), HCP alloy (Co-Cr 등), ultrathin CoFeB입니다.

이러한 성질은 자성소자에서 scale down과 에너지 사용등 많은 것의 이점이 있어 중요한 성질입니다. 사실 자성 소자가 상용화 될수 있도록, Thermal stability문제나 scale down문제, current density 감소 문제를 개선시키는데 가장 큰 역할을 한것도 수직이방성 소자를 사용하였기 때문입니다.

그럼 구체적으로 inplane 대비 perpendicular가 어떤 효과가 있는지 알아볼까요? inplane의 경우 switching current가 demagnetization에 의해

이기 때문에 thermal barrier대비 switching barrier가 30배정도 높게 됩니다.

그러나 perpendicular의 경우 demagnetization효과가 무시되어

로 Thermal barrier와 같은 수준의 아주 낮은 switching current가 필요합니다.

추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다!