[논문 리뷰] Imaging the antiferromagnetic to ferromagnetic first order phase transition of FeRh

S. O. Mariager, Loïc Le Guyader외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 17.

Magnetic properties of thin films인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial FeRh 박막에서의 반자성체에서 자성체로의 일阶 전이를 직접 영상화하기 위해 X선 자기회절 이방성 분광법-광전자 현미경(XMCD PEEM)을 사용한다. 전이는 수많은 독립적인 마이크로미터 이하의 영역에서 무작위 도메인 방향을 가진 핵형성으로 시작되며, 이후 부분적인 재정렬을 통해 최종적으로 자성 도메인 구조를 형성한다. 열 사이클링 중에 도메인 고정 현상은 관찰되지 않았다.

ABSTRACT

The antiferromagnetic (AFM) to ferromagnetic (FM) first order phase transition of an epitaxial FeRh thin-film has been studied with x-ray magnetic circular dichroism using photoemission electron microscopy. The FM phase is magnetized in-plane due to shape anisotropy, but the magnetocrystalline anisotropy is negligible and there is no preferred in-plane magnetization direction. When heating through the AFM to FM phase transition the nucleation of the FM phase occurs at many independent nucleation sites with random domain orientation. The domains subsequently align to form the final FM domain structure. We observe no pinning of the FM domain structure.

연구 동기 및 목표

• FeRh에서의 첫 번째 계급 반자성체(AFM)에서 자성체(FM)로의 전이의 미세 구조적 역학을 직접 시각화하는 것.
• 전이 온도를 통과하는 동안 핵형성 메커니즘과 도메인 진화를 조사하는 것.
• 반복적인 전이 과정 중에 자성 도메인 구조가 고정되어 있는지 아니면 동적으로 재조직되고 있는지 확인하는 것.
• 국소적 비균일성과 이방성의 역할이 전이 경로를 어떻게 이끌어내는지 평가하는 것.
• 특히 반자성체와 자성체 도메인 간의 유일한 변환 경로가 존재하는지 조사하는 것.

제안 방법

• 약 50 nm 해상도에서 공간적으로 분해능 있는 자성 대비를 확보하기 위해 X선 자기회절 이방성(XMCD)과 광전자 현미경(PEEM)을 조합한 방법을 사용하였다.
• 전이 온도(약 105 °C)를 통과하는 느린 가열 및 냉각 사이클 중 온도 의존성 XMCD PEEM 영상 촬영을 수행하였다.
• X05LA 비임계선에서 X선 회절(XRD)을 사용하여 표면 법선 방향의 격자 팽창 포함한 구조적 변화를 확인하였다.
• 다양한 온도에서 도메인 패atters를 분석하여 FM 상의 핵형성, 성장 및 재정렬 과정을 추적하였다.
• 초기 가열 단계와 후기 냉각 단계의 영상을 비교하여 반자성체-자성체 도메인 간 유일한 대응 관계가 없음을 유추하였다.
• PEEM 해상도를 유지하기 위해 외부 자기장을 피하고, 고유의 열적 핵형성 역학에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeRh 박막에서 반자성체에서 자성체로의 전이 과정에서 자성 도메인은 어떻게 핵형성되는가?
• RQ2 열 사이클링 중에 형성된 자성 도메인은 고정되어 있는가 아니면 동적으로 재조직되고 있는가?
• RQ3 반자성체와 자성체 도메인 간의 선호되거나 고유한 경로가 존재하는가?
• RQ4 국소적 비균일성이 비균일 핵형성의 촉진에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 형상 이방성과 결정립 이방성은 최종 도메인 형태에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• FeRh에서 반자성체에서 자성체로의 전이는 무작위로 초기 도메인 방향을 가진 여러 개의 독립적인 마이크로미터 이하의 영역에서 핵형성되어 진행된다.
• 최종 자성 도메인 구조는 초기에 상관없는 도메인들이 부분적으로 재정렬되어 형성되며, 이는 사전 존재하는 핵에서의 성장이 아니라 동적 재조직화를 나타낸다.
• 반복적인 열 사이클링 중에 도메인 고정 현상은 관찰되지 않았으며, 이는 고도의 도메인 벽 이동성과 가역적 동역학을 의미한다.
• 특정 평면 내 자기화 방향의 선호성이 없음을 확인함으로써 결정립 이방성이 극히 미미하며, 형상 이방성이 평면 내 자기화를 지배하고 있음을 확인하였다.
• 핵형성은 박막 전반에 걸쳐 다양한 위치에서 발생하며, 이는 잡질 등에 의해 유도된 국소적 자유 에너지 변화가 비균일 핵형성을 이끄는 것으로 보인다.
• 이 연구에서 관찰된 전이 동역학은 초단시간 레이저 유도 전이와 일치하며, ps 및 s 시간 스케일에서 공통된 열적 핵형성 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.