Characterization of Magnetic Phase Transition in Optimized FeRh Epitaxial Thin Films
- 주제어 (키워드) FeRh , Iron-Rhodium , Magnetic phase transition
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정명화
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079057
- UCI I804:11029-000000079057
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
FeRh has garnered considerable interest due to its remarkable first-order phase transition from an antiferromagnetic to a ferromagnetic state just above room temperature, at approximately 370 K. This transition is highly sensitive to external parameters such as composition and strain. Particularly noteworthy is the change in electrical resistance accompanying the change in magnetization, which has promising applications in spintronics and sensors. For these applications, obtaining high-quality epitaxial films of FeRh with a sharp phase transition using a straightforward method is essential. In this study, we demonstrate that high crystallographic quality FeRh films can be achieved through sputtering. By precisely controlling the Rh composition in Fe1-xRhx with adjustments to the sputtering power, Pw, we observe a distinct phase transition in both magnetic and transport properties. Futher, using magnetic force microscopy, we show that the optimal film has directional domain growth aligned with the crystallographic direction, while the non-optimal film exhibits random domain nucleation. In contrast to the non-optimal film, where surface morphology closely correlates with magnetic domains, the optimal film shows no significant correlation between the two. On the other hand, We conducted in-depth experiments to investigate the causes of the resistance changes observed during the phase transition of FeRh. These resistance changes are a crucial characteristic that enhance the unique applicability of FeRh. We aimed to determine whether the cause is due to spin scattering, which occurs as spins transition from parallel to antiparallel alignment, or if changes in the band structure play a more significant role. This was clarified using THz measurements. Finally, we observe spin pumping that is induced the magnetic phase transition of FeRh, which occurs at 370 K. The results indicate that the output spin current density is at least three orders of magnitude greater than that observed in previous spin pumping experiments. Furthermore, by varying the thickness of Pt deposited on top of the FeRh, we observed that the spin pumping current reaches saturation as the Pt thickness increases. This observation confirms that the measured current is indeed due to spin pumping. I hope that this research serves as a foundation for expanding the potential uses of FeRh in the spintronics.
more초록 (요약문)
FeRh는 약 370K에서 강자성체에서 반강자성체로의 first order transition을 갖는 물질로서 자성 상전이가 일어나는 것 뿐만 아니라 약 100%정도의 큰 저항차이를 보이는 전기적 상전이가 동시에 이루어지기 때문에 차세대 스핀트로닉스 메모리로서 큰 관심을 받고 있다. 하지만 FeRh는 그 증착 과정에서 조성비나 증착 온도 등 외부 요인에 따라 무척 큰 민감성을 보이기 때문에 고품질의 epitaxial 박막을 얻는것이 까다롭기로 정평이 나있다. 다년간의 연구를 통해, 가장 기본적인 형태인 magnetron sputter를 활용하여 세계적 수준의 고품질 FeRh 박막을 얻는데에 성공했으며 이과정에서 보유하게 된 노하우를 통해 박막의 품질을 인위적으로 조절하는데에 성공하였다. 따라서 magnetic force microscopy를 이용, 자기 상전이시 발생하는 자기 도메인을 FeRh 필름의 품질을 달리하여 관찰하므로써 품질에 따른 도메인 형성 과정을 정량화 하였다. 고품질의 필름인 경우 기존 연구 결과와는 차별화되는 결정방향과 일치하는 거대한 도메인을 관찰 할 수 있었으며, 저품질의 필름인 경우 도메인과 필름의 표면 구조가 높은 상관관계를 보이면서도 비균질적인 도메인이 형성되는것을 관찰하였다. 또한 FeRh의 자기 상전이에서 보여주는 높은 저항차이에 대한 원인을 THz 측정을 통해 크게 높힐 수 있었다. 기본적으로 FeRh의 전기적 상전이는 강자성체에서 반강자성체로 스핀이 급격히 변화할 때 발생하는 전자의 산란에 의한 것으로 생각되어왔다. 하지만 단일물질에서 스핀 산란만으로 이러한 높은 저항차이를 보이는것은 일반적이지 않으며 따라서 밴드구조의 변화에 의한 것으로 해석하기위해 많은 연구들이 진행되었지만 여전히 논쟁적이다. THz측정과 drude fitting을 통해 scattering time과 같은 쉽게 구할 수 없는 물리량을 특정함과 동시에 홀 측정을 통한 전하 수송체의 밀도 측정하여 그 원인이 FeRh 내부의 밴드 구조 변화에 있음을 밝혀내었다. 마지막으로 Ferromagnet resonace(FMR)로 익히 알려져있는 스핀의 세차운동에 의한 전류 생성을 FeRh의 상전이에서 발생한느 급격한 스핀 변화에 적용, Pt 등을 추가로 쌓아올려 spin orbit torque에 의한 전류 변화를 관찰함과 동시에 그 두께를 바꾸어 전류값이 포화되는것을 관찰하였다. FeRh는 무척 다채롭고 흥미로운 현상들을 보여주지만, 현재 우리는 이러한 현상들의 원리를 물리적으로 풀어내는데 머물러 있으며 그 무궁무진한 활용성이 어디로 뻗어 나갈지 무척 궁금하다. 본 연구는 기본적으로 FeRh 박막을 성공적으로 증착해낸 과정부터, FeRh가 보여주는 높은 저항차이의 원인에 대해 서술하면서도, spintronics 분야로의 활용성까지 폭넓게 탐구하였다고 할 수 있다. 먼 미래에 FeRh가 획기적인 활용도를 보이는 물질로서 활약하는데 우리의 연구들이 그 초석이 되길 간절히 소망한다.
more목차
1. Introduction 1
1.1 Intrinsic Character of FeRh 5
1.2 Extrinsic Character of FeRh 7
1.2.1 Composition Variation 7
1.2.2 Strain Sensitivity and Annealing Effect 9
1.3 Topography and Magnetic Domains of FeRh Thin Films 14
1.4 Origins of Resistivity Change during Phase Transition 18
1.5 Spin Pumping Measurement : FMR to Spin Pumping 21
2. Experimental Details 23
2.1 Sample Preparation 23
2.2 Sample Characterization 25
2.3 Magnetic and Transport Properties 26
2.4 Atomic Force Microscopy and Magnetic Force Microscopy 27
2.5 Terahertz Time Domain spectroscopy 27
2.6 Spin Pumping Measurement 29
3. Results and Discussion 31
3.1 Epitaxial Growth of FeRh Thin Film 31
3.1.1 Gun Power Effect 32
3.1.2 Annealing Effect 35
3.1.3 Thickness Dependence 37
3.2 Topography versus Magnetic Domains in FeRh 38
3.3 Intrinsic Origins of Resistivity Change During Phase Transition in FeRh : Time Domain THz Measurement 46
3.4 Thickness dependence of FeRh Spin Pumping 56
4. Conclusion 61
5. References 63
