[論文レビュー] Amorphous GdFeCo Films Exhibiting Large and Tunable Perpendicular Magnetic Anisotropy

Manli Ding, S. J. Poon|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2013

Magnetic properties of thin films参考文献 15被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、非晶質GdFeCo膜が広い組成範囲において大きな、チューナブルな垂直磁気異方性（PMA）を示すことを示している。特に、低ジセニウム（20–34 at.%）および高ジセニウム（52–59 at.%）領域で顕著である。PMAは、反強磁性のレアアース金属－遷移金属結合と強磁性の遷移金属相互作用の競合によって生じる。高Gd膜では室温で約6.6 kOeに達する保磁率を示し、ナノスケール磁気デバイスの設計に適している。

ABSTRACT

We report the compositional and temperature dependence of magnetic compensation in amorphous GdFeCo films. Magnetic compensation is attributed to the competition between antiferromagnetic coupling of rare-earth with transition-metal (TM) ions and ferromagnetic interaction between the TM ions. The low-Gd region from 20 to 34 at. % was found to exhibit compensation phenomena characterized by a low saturation magnetization and perpendicular magnetic anisotropy (PMA) near the compensation temperature. Compensation temperature was not observed in previously unreported high-Gd region from 52 to 59 at. %, in qualitative agreement with results from recent model calculations. However, low magnetization was achieved at room temperature, accompanied by a large PMA with coercivity reaching ~6.6 kOe. The observed perpendicular magnetic anisotropy of amorphous GdFeCo films probably has a structural origin consistent with certain aspects of the atomic-scale anisotropy. Our findings have broadened the composition range of transition metal-rare earth alloys for designing PMA films, making it attractive for tunable magnetic anisotropy in nanoscale devices.

研究の動機と目的

• 非晶質GdFeCo膜における磁気補償の組成および温度依存性を調査すること。
• GdFeCo合金における垂直磁気異方性（PMA）の起源を理解すること。
• 室温で大きな、チューナブルなPMAが得られる組成範囲を特定すること。
• GdFeCo膜がチューナブルナノスケール磁気デバイスへの応用可能性を検討すること。

提案手法

• Gd濃度を20～59 at.%で制御して、磁気スパッタリング法による非晶質GdFeCo膜の作成。
• SQUID磁化計測定およびバイブレーティング・サンプル磁化計測定（VSM）を用いた磁気的性質の測定により、飽和磁化および補償温度の決定。
• 面内および面外のヒステリシスループ測定を用いた垂直磁気異方性（PMA）の分析。
• PMAと組成変動および温度依存的磁気的挙動との相関関係の検討。
• 高Gd領域における補償の欠如を解釈するためのモデル計算の使用。
• 構造的および異方性分析を通じて、PMAを原子スケールのメカニズムと膜構造とに関連付けること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gd濃度が非晶質GdFeCo膜の磁気補償および垂直磁気異方性を決定づける役割は何か？
• RQ2 理論的予測とは対照的に、高Gd GdFeCo膜（52–59 at.%）ではなぜ磁気補償が観察されないのか？
• RQ3 PMAの構造的起源が、非晶質GdFeCo膜における異方性の大きさおよびチューナビリティにどのように影響するか？
• RQ4 磁気補償が存在しない状態でも、高Gd GdFeCo膜で室温で大きなPMAを達成できるか？
• RQ5 レアアース金属－遷移金属の反強磁性結合と遷移金属の強磁性相互作用の間の関係は、PMAを決定づけるか？

主な発見

• 20–34 at.% Gdを含む非晶質GdFeCo膜は、補償温度付近で磁気補償を示し、低飽和磁化および顕著な垂直磁気異方性を示す。
• 高Gd領域（52–59 at.%）では、磁気補償は観察されず、最近の理論的モデル予測と整合的である。
• 補償の欠如にもかかわらず、高Gd膜は室温で低磁化を示し、大きな垂直磁気異方性を示した。
• 高Gd膜では保磁力が約6.6 kOeに達し、強い異方性エネルギー障壁を示している。
• 観察されたPMAは、原子スケールの異方性メカニズムに整合する構造的起源に起因するとされる。
• 本研究により、ナノスケール磁気応用向けにチューナブルなPMAを持つ膜を設計するためのGdFeCo合金の有用な組成範囲が拡大された。