[논문 리뷰] Amorphous GdFeCo Films Exhibiting Large and Tunable Perpendicular Magnetic Anisotropy

Manli Ding, S. J. Poon|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 27.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 15인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 비정질 GdFeCo 필름이 광범위한 조성 범위에서 큰, 조절 가능한 수직 자기이상성(Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA)을 나타냄을 보여주며, 특히 저갈리늄(20–34 at.%) 및 고갈리늄(52–59 at.%) 영역에서 두드러진다. PMA는 반자성 레어아이드-전이금속 상호작용과 자성 전이금속 상호작용 간의 경쟁에서 기인하며, 고갈리늄 필름에서 실온에서 약 6.6 kOe에 이르는 난이도를 보이며, 이는 조절 가능한 나노스케일 자기 장치 설계에 유리하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비정질 GdFeCo 필름에서 자기보상의 조성 및 온도 의존성을 조사하기 위해.
• GdFeCo 합금에서 수직 자기이상성(PMA)의 기원을 이해하기 위해.
• 실온에서 큰, 조절 가능한 PMA를 확보할 수 있는 조성 범위를 규명하기 위해.
• GdFeCo 필름이 조절 가능한 나노스케일 자기 장치 응용 분야에서의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Gd 농도를 20에서 59 at.%로 제어하여 마그네트론 스퍼터링을 통해 비정질 GdFeCo 필름을 제조하기 위해.
• 포화 자화 및 보상 온도를 결정하기 위해 SQUID 자화계량법 및 진동 샘플 자화계량법(VSM)을 이용한 자성 특성 측정.
• 면내 및 면외 히스테리시스 루프 측정을 통해 수직 자기이상성(PMA) 분석.
• PMA를 조성 변화 및 온도 의존성 자성 거동과 연관시키기 위해.
• 고갈리늄 영역에서 보상이 관찰되지 않는 이유를 설명하기 위해 모델 계산을 사용하기 위해.
• PMA를 원자 스케일 메커니즘과 필름 구조와 연결하기 위해 구조적 및 이방성 분석 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gd 농도가 비정질 GdFeCo 필름의 자기보상 및 수직 자기이상성 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 이론적 예측에도 불구하고 고갈리늄 GdFeCo 필름(52–59 at.%)에서는 왜 자기보상이 관찰되지 않는가?
• RQ3 PMA의 구조적 기원이 비정질 GdFeCo 필름에서 이방성의 크기와 조절 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 자기보상이 없는 상태에서도 고갈리늄 GdFeCo 필름에서 실온에서 큰 PMA를 확보할 수 있는가?
• RQ5 레어아이드-전이금속 반자성 상호작용과 전이금속 자성 상호작용 간의 관계가 PMA 결정에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 20–34 at.% Gd 함량을 가진 비정질 GdFeCo 필름은 보상 온도 근처에서 자기보상을 나타내며, 낮은 포화 자화 및 상당한 수직 자기이상성을 보인다.
• 고갈리늄 영역(52–59 at.%)에서는 자기보상이 관찰되지 않았으며, 최근의 이론 모델 예측과 일치한다.
• 보상이 관찰되지 않음에도 불구하고, 고갈리늄 필름은 실온에서 낮은 자화를 보이며 큰 수직 자기이상성을 나타낸다.
• 고갈리늄 필름에서 난이도는 약 6.6 kOe에 도달하여 강한 이방성 에너지 장벽을 나타낸다.
• 관측된 PMA는 원자 스케일 이방성 메커니즘과 일치하는 구조적 기원에 기인한다.
• 이 연구는 나노스케일 자기 응용 분야에서 조절 가능한 PMA를 갖는 필름 설계를 위한 GdFeCo 합금의 활용 가능한 조성 범위를 확장한다.