Domain wall dynamics of amorphous [CoSiB/Pt]N multilayers with perpendicular magnetic anisotropy
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정명화
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2015. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000055594
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
비정질 CoSiB/Pt 다층박막은 수직 자화 물질로서 결정체 다층박막보다 부드러운 표면을 갖기 때문에, 높은 직각도, 작은 보자력, 높은 이방성, 그리고 부드러운 자구벽 운동을 기대할 수 있다. 우리는 [CoSiB(6 A)/Pt (14 A)]N (N=3, 6, and 9) 다층박막에서 자기장이 인가된 자구벽 운동을 연구하였다. 유효 이방성 상수는 모든 박막에서 1.5x10^6 erg/cm^3 값을 가졌고, 보자력은 N이 증가하면서 선형적으로 증가하였다. 상온에서 자기장을 인가한 자구벽 운동을 MOKE 실험을 통해 2차원의 creep 운동을 관찰할 수 있었다. Creep 운동의 분석 결과, depinning field는 N이 커지면서 증가하였지만, pinning potential 에너지는 35 kBT로 일정하였다. 이런 결과로부터 우리는 비정질 [CoSiB/Pt]N 다층박막은 결정체 다층박막에 비해 만드는 공정은 훨씬 간단하지만 본질적으로 거의 동일한 물성을 가진다는 결과를 얻었다. 한편, 자기장을 인가 속도에 따른 보자력의 변화를 통해 activation 부피를 구할 수 있는데, 그 결과로부터 pinning site 밀도를 계산할 수 있다. 그 결과로 30 x 30nm^2의 면적을 가지는 소자를 가정하면, N = 6인 경우에 단 한 개의 pinning site가 존재 가능하다. 이 박막을 e-beam lithography를 사용하여 나노선을 제작하여 real time 실험과 Creep 실험을 각각 실시하였다. 자구벽 속도는 N이 증가함에 따라 증가하였다. N이 3인 경우에는 자구벽이 전류 방향으로 더 빠른데에 반해 N이 6과 9인 경우에는 자구벽이 전자 방향으로 더 빠르게 흘러갔다. 이런 결과들은 기존에 보고된 Co/Ni 다층 구조와 마찬가지로 전이 메커니즘이 존재한다고 볼 수 있다. 이런 트렌드는 Creep 실험에서도 동일하게 나타났다. 그 결과, 우리는 비정질 [CoSiB/Pt]N 수직자화 물질에서의 자기장이 인가된 자구벽 운동의 메커니즘을 더 자세히 연구하기 위해 노력하였다. 연구 결과들로부터 우리는 비정질 [CoSiB/Pt]N 수직자화 물질이 STT-MRAM과 자구벽 논리 소자로서의 응용가능성을 가지고 있다고 판단된다.
more초록/요약
Amorphous CoSiB/Pt multilayer is a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) material to achieve high squareness, low coercivity, strong anisotropy, and smooth domain wall (DW) motion, because of the smoother interface compared with crystalline multilayers. For [CoSiB(6 Å)/Pt (14 Å)]N multilayers with N = 3, 6, and 9, we studied the field-induced DW dynamics for thin films as well as patterned nanowires. First, in thin films, the effective anisotropy constant K1eff is 1.5 x 10^6 erg/cm^3 for all the N values, and the linear increment of coercive field Hc with N gives constant exchange coupling J. By analyzing the field dependence of DW images at room temperature, a clear creep motion with the exponent mu = 1/4 could be observed. Even though the pinning field Hdep slightly increases with N, the pinning potential energy Uc is constant (= 35 kBT) for all the N values. These results imply that the amorphous [CoSiB/Pt]N multilayers are inherently homogeneous compared to crystalline multilayers. For N < 6, the pinning site density is less than 1000/microm^2, which is about 1 pinning site per the typical device junction size of 30 x 30 nm^2. Also, the exchange stiffness constant Aex is obtained to be 0.48 x 10^-6 erg/cm, and the domain wall width is expected to be much smaller than other crystalline PMA systems. These results may be applicable for spin-transfer-torque magnetic random access memory (STT-MRAM) and DW logic device applications. We performed real time measurements of DW velocity as well as DW creep motion on Hall-bar patterned nanowires. The DW velocity increases with increasing N. For N = 3, the DW moves faster in current flow direction than electron flow direction. On the other hand, the DW motion for N = 6 and 9 prefers the electron flow direction to the current flow direction. These results infer that a mechanism of current-induced DW dynamics changes with increasing N, which is similar with the recent study on the thickness-modulated Co/Ni multilayers. The effect of current on the DW creep motion also shows the same trend with increasing N and can be also understood by the same mechanism transition. As s result, we try to elucidate the field-driven DW dynamics on the PMA material of [CoSiB/Pt]N multilayers.
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