스핀트로닉스 물질 및 재료 (Spintronics material)

정의상 가정	자성체(magnetic material)_강반자성체 AFM(antiferromagnetic), 강자성체 FM(ferromagnetic), paramagnetic, diamagnetic, 자화에너지 [특집] Ferromagnetic vs Ferrimagnetic vs Antiferromagnetic Spintronics 원자
내용상 가정	Coulomb repulsion으로 인해 전자들은 다른 orbits을 가지길 선호하며,  spin-spin interaction은 spin들이 서로 평행하게 유지하는것을 선호한다는 것입니다.
공식	$$J=L+S$$
단위
응용

↑파란 박스의 글자를 클릭하시면 가정과 응용으로 넘어 가실 수 있습니다!!

 

스핀트로닉스에서는 자석 이외에도 많은 물질이 사용됩니다.

크게 강자성체, 반강자성체, 중금속, MgO, Ru, Ir과 같은 물질이 많이 사용됩니다.

본 포스팅에서는 항목별로 이 물질에 대한 설명을 드리겠습니다.

 

1. 자성체

자성을 띄는 혹은 물질내부에 여러 스핀특성을 가지는 물질은 다양합니다.

MTJ가 등장하면서 이 물질들에 박막특성에 대한 이론적인 고찰과 실험적인 검증은 수도 없이 연구되고 있으며, 현재까지도 진행되고있습니다.

앞선 포스팅인 자성체(magnetic material)_강반자성체 AFM(antiferromagnetic), 강자성체 FM(ferromagnetic), paramagnetic, diamagnetic, 자화에너지에서도 다루었듯 자성체는 Diamagnetism, Paramagnetism, Antiferromagnetism, Ferromagnetism, Ferrimagnetism으로 이루어져 있으며, 이들은 Susceptibility로 나눠집니다.

이제 물질 관점에서 분류해본다면,

	종류	물질	Susceptibility
Weak Magnetic materials	Diamagnetism	Cu, Ag, Au	Negative (10^(-7)~10^(-3))	Disordered Magnetism
	Paramagnetism Antiferromagnetism Metamagnetism Helimagnetism	Al, Pt, Mn MnO, IrMn, PdMn FeCl2 Tb	Positive(Para) (10^(-7)~10^(-2))
			Positive (Anti, Meta, Heli) (10^(-7)~10^(-2))	Ordered Magnetism
Strong Magnetic Materials	Ferromagnetism Ferrimagnetism	Fe, Co, Ni Fe3O4	Positive (10~10^6)

물질은 결국 원자로 이루어져 있으므로, 원자를 살펴봄으로 이들성질을 모두 설명할 수 있습니다.

원자포스팅을 참조해본다면, 

모든 전자는 파울리 베타원리와 훈트의 다양성 규칙을 따르며

--> 이 전자에 갯수에 따라 다양한 전자의 거동을 하는데

--> 원자 핵으로부터 전자의 거리(전자 껍질)의 양자화를 나타내는 주양자수 (Principal orbital) n

--> 한 전자 껍질에 분포하는 전자들이 분포하는 궤도 모양인 부양자수 (angular momentum quantum number) l (0~n-1)

--> 궤도 모양이 결정되었을때 그 궤도를 3차원으로 여러방향으로 나눌 수 있다는 자기양자수 (Magnetic quantum number) m (-l~+l)

(자기 양자수라 불리는 이유는 전자가 궤도를 따라 움직이면 궤도에 수직인방향으로 자기장이 생기기 때문입니다,)

--> 마지막으로 자기양자수로 생긴 자기장 방향에 평행, 반평행 정렬되는 전자의 스핀의 양자수인 스핀 양자수도 있습니다. (ms = +-1/2)

정리를 하자면 위 그림과 같습니다.

 

그렇다면 당연히도 위에 양자화는 Spin과 Orbit들간의 상호작용의 결과물일 것입니다. Spin과 Orbit의 상호작용의 에너지는

$$\omega=\lambda L \cdot S$$

이며 총 각운동량(Total resultant angular momentum)는 

$$J=L+S$$

입니다. Russell - Saunders interaction이라고도 불립니다. 이 Russell - Saunders interaction이 정말 중요한데, 바로 여기에 훈트의 법칙(Hunt's law)가 결합되면 자성에 대한 모든 성질을 설명할 수 있기 때문입니다.

 

기억해야할 두가지 원리는 Coulomb repulsion으로 인해 전자들은 다른 orbits을 가지길 선호하며,  spin-spin interaction은 spin이 서로 평행하게 유지하는것을 선호한다는 것입니다.

 

$$m=-g\mu_B |\vec \sigma|$$

에서 Rare earth ion과 같이 불완전한 4f shell과 완젼히 shield되어있는 전자 껍질 구조에서는 내부에서부터 나오는 자기장을 차폐시키기 때문에, g값이 작습니다.

반면, Ion-group ions들과 같이, 불완젼한 3d shell에서나오는 magnetisim은 차폐가 안되어 옆 이웃들에게 노출되어 quenched되게 됩니다. 여기서부터 나오는 자기장을 crystal field라 합니다.

 

2. 중금속

중금속은 스핀궤도결합(spin orbit coupling)이 강한 특성을 가지고 있어 스핀 전류(spin current)을 발생시킬 때 주로 사용됩니다.

스핀 전류를 발생시키는 원리를 스핀 홀 효과(spin hall effect, SHE)라 부르며 전류를 가했을 때 스핀전류가 나오는 비율을 Spin hall angle이라 합니다. Pt와 W(beta phase를 갖고 있는 경우)에서 큰 Spin hall angle이 나오며, 이외 Ta, Pd과 같은 중금속도 많이 사용됩니다.

특히 Pt는 Co와 인접할 때 강한 수직자기이방성을 갖게 해주기 때문에, MRAM에서 큰 수직자기이방성이 필요할 때 Pt와 Co를 반복하여 증착하여 사용합니다. 단지 전류밀도가 크게 필요하다는 단점과 비싸다는 단점이 있어 이를 보완하려는 노력이 많이 되고 있습니다.

 

3. MgO

MgO는 스핀트로닉스 소자에 가장 필수적으로 사용되는 물질입니다. MgO는 Coherent tunneling을 하는 물질로 MRAM의 자성체/산화물/자성체 구조에서 산화물로 사용하는 물질입니다. 다시말해 MRAM의 자성상태를 전기적으로 크게 읽을 수 있습니다. CoFeB/MgO/CoFeB으로 증착되었을 경우 이 구조를 관통하도록 전류를 흘려주면, 한쪽 CoFeB의 스핀정보가 CoFeB으로 원하는 정보만 tunneling이 될 수 있습니다. 이때 MgO는 (100) BCT구조가 되야합니다. 자세한 사항은 자기 터널 접합 MTJ (Magnetic Tunnel Junction)을 참조해주세요.

이외 CoFeB과 MgO가 만나면 MgO의 O와 CoFeB의 z2 오비탈이 hybridation되어 큰 수직자기이방성까지 만들 수 있습니다.

여러가지 장점이 있지만, 처음에 설명드린 메모리를 읽는 값자체가 너무 크기때문에 다른 물질로 대체할 수 없는 물질입니다. 따라서 MRAM용 장비가 만들어질 때 MgO 증착 성능을 주로 맞춥니다.

 

4. Ru, Ir

Ru과 Ir은 RKKY coupling을 하는 물질로, 반강자성체를 대체할 수 있는 물질입니다. MRAM의 자성체/산화층/자성체에서 한가지 자성체는 변화하지 않는 자석으로 만들어 주어야하는데 이 때 반강자성체를 사용합니다. 하지만 반강자성체는 공정시 고온에서 자기장을 가해주며 식혀줘야하고, 온도에 영향도 많이 받기 때문에, synthetic antiferromagnetic물질인 Ru과 Ir을 사용합니다. 오죽 중요하면 synthetic antiferromagnetic spintronics라는 연구분야도 생겨났습니다.

특히 Ru은 이외에도 많이 사용되는데, Ru이 산화되어 RuO가 되어도 전류가 잘 흐르며, Ta위에 Ru을 증착한 Ta/Ru을 만들어 소자 아래 깔아주면 (Seed layer, buffer layer로 만들어주면) 그 윗단 물질의 결정성을 잘 형성하도록 도와줍니다.

 

5. Hf

Hf은 스핀트로닉스에 필수 물질은 아니지만, 필수라고 생각될 정도로 많이 사용되는 물질입니다. 먼저 CoFeB과 인접할 경우 수직자기이방성을 놀라울 정도로 잘 만들기 때문에 중금속이나 다른 물질과 CoFeB 계면에 아주 얇게 삽입하여 사용합니다. 또한 산화되는 HfO2가 엄청나게 좋은 유전체 물질이므로 전기장으로 제어하는 게이팅 역할에 최적화되어있는 물질입니다.

 

6.Cu, Cr

Cu와 Cr은 실제 사용소자 보다는 연구에서 엄청나게 많이 사용되는 물질입니다. Cu는 Spin 정보가 꽤 먼 거리까지 유지하는 물질입니다. 또한 Spin hall angle도 엄청나게 작은 물질입니다. 따라서 어떤 스핀 소자에서 특수한 성질이 계면에서 나타나는 성질인지 확인하기 위해 계면에 Cu를 두께별로 넣어 계면성질인지 Spin current에 의한 성질인지 검증할 때 사용됩니다.