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Co-substitution and Exchange Bias Effects of (Mn, Co)3Ga Heusler Alloy Films

  • 유우석 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

Mn2 기반 Heusler 합금은 반쪽 금속과 준강자성 특성을 나타내기 때문에 스핀트로닉스 분야에서 활발하게 연구되었다. 또한, Mn2 기반 Heusler 합금은 원소들의 조합 방식이나 다른 원소에 의한 Mn 원자의 치환에 의해 L21/XA 입방체 구조에서 준강자성과 수직자기이방성을 가진 D022 정방형 구조 혹은 반강자성을 가진 D019 육방형 구조로 구조적 상전이를 보여준다. 특히, 정방형 Mn3Ga은 큰 자기결정이방성에 의한 수직자기이방성, 높은 Curie 온도, 높은 스핀 분극률 등으로 인하여 스핀트로닉스로의 응용과 관련하여 흥미로운 물질로 알려져 있다. 하지만 Mn3Ga이 스핀트로닉스 분야에서 응용되기 위해서는 높은 보자력(~1.8 T), 두꺼운 박막 두께(~100 nm), MgO와의 큰 격자 상수 차이 등의 문제가 해결되어야 한다. 본 연구는 정방형 Mn3Ga의 이러한 문제들을 해결하기 위하여 Co 원소를 치환한 (Mn, Co)3Ga 박막을 마그네트론 스퍼터링 방식으로 증착하여 Co 원소의 치환 효과에 관한 연구를 진행하였다. Co 원소의 치환은 경자성 및 준강자성과 수직자기이방성을 가지는 D022 정방형 구조에서 연자성 및 준강자성과 수평자기이방성을 보이는 XA 입방형 구조로의 구조적 및 자기적 상전이를 유발한다. 주목할 만한 결과로서 본 연구에서는 정방형에서 입방형으로 상전이가 발생하는 중간 단계인 임계 상태를 발견하였는데, 임계 상태는 수직자기이방성을 유지하면서 상대적으로 낮은 보자력(~0.19 T)을 보여주는 동시에 비정상 홀 효과와는 다른 여분의 홀 신호를 보여준다는 점에서 매우 흥미로운 결과이다. 게다가, 본 연구는 낮은 보자력과 수직자기이방성을 유지하는 임계상태의 (Mn, Co)3Ga 박막의 두께를 50 nm까지 낮추는데 성공하였다. 다른 한편으로, 본 연구는 준강자성/반강자성 이층 박막에서 수직 및 수평 교환 바이어스 효과에 관한 연구를 수행하였다. 준강자성 층으로는 Co를 치환한 Mn3Ga을 선택하였고, 반강자성 층으로는 무질서 Cu3Au 타입의 입방형 구조를 가지는 Mn3Ga을 이용하였다. 모든 시료들에서 수직 교환 바이어스 장의 크기가 수평 교환 바이어스 장의 크기보다 큰 것을 관찰하였으며, 이는 교환 바이어스의 근본적인 원인이 반강자성 층의 자기 이방성 방향과 깊은 관련이 있음을 시사한다. 반강자성 층의 자기 이방성 방향을 확인하기 위하여 입방형 Mn3Ga 단층 박막의 자화의 온도 의존성을 측정하였고, 이를 통해 입방형 Mn3Ga의 자기 이방성 방향이 박막에 수직 방향임을 알 수 있었다. 이는 반강자성 층의 수직 자기 이방성이 수직 교환 바이어스 장이 수평 교환 바이어스 장보다 큰 상황의 원인임을 의미한다.

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초록/요약

Mn2-based Heusler alloys have been outstandingly studied for spintronics because they have half-metallic and ferrimagnetic (FI) properties. Moreover, they undergo the structural transition from L21 regular / XA inverse Heusler cubic structure to D022 tetragonal with FI phase or D019 hexagonal structure with antiferromagnetic (AFM) phase by the combination of elements or substitution for Mn atoms. Especially, tetragonally-distorted Mn3Ga is a fascinating and interesting material for spintronic application since tetragonal Mn3Ga is hard FI with large magnetocrystalline anisotropy, perpendicular magnetic anisotropy (PMA), high Curie temperature, and high spin polarization. Mn3Ga, however, has a few drawbacks which are a high coercive field (~1.8 T), thickness (~ 100 nm), and large lattice mismatch (~ 6%) between Mn3Ga and MgO. In this work, we studied the Co-substitution effect of (Mn, Co)3Ga thin films deposited by using magnetron sputtering method to overcome the disadvantages of tetragonal Mn3Ga. The Co-substitution effect causes the structural and magnetic transition from D022 tetragonal with hard FI phase and PMA to XA cubic with soft FI phase and in-plane anisotropy (IMA). Above all, the discovery of the critical phase between tetragonal and cubic phases is fascinating and very interesting result in the way that the critical phase shows relatively low coercive field (~ 0.19 T) with retaining PMA and extra hump-like Hall signal different from anomalous Hall effect. Besides, the thickness of (Mn, Co)3Ga is reduced to 50 nm with retaining PMA and low coercive field. On the other hand, we investigated perpendicular and longitudinal exchange bias (EB) effects in FI/AFM system by depositing (Mn, Co)3Ga/Mn3Ga bilayers. FI layer is (Mn, Co)3Ga with PMA or IMA on the Co composition, and AFM layer is Mn3Ga having disordered Cu3Au-type cubic structure. In all the samples, perpendicular EB field is larger than longitudinal EB field, and it implies the origin of EB effect is deeply related to magnetic anisotropy direction of AFM layer. To confirm the magnetic anisotropy direction of AFM layer, temperature-dependent magnetization curves of cubic Mn3Ga single layer were measured along the directions perpendicular and longitudinal to the film plane. Therefore, the anisotropic direction of cubic Mn3Ga is perpendicular to the film plane, and it means that the perpendicular AFM anisotropy influences the perpendicular EB effect larger than the longitudinal EB effect.

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