[논문 리뷰] Magnetoelasticity of $\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}$ thin films

Schwienbacher, Daniel, Pernpeintner, Matthias외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 13.

Magnetic properties of thin films인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 이중 클램프된 실리콘 nitride 나노스트링 공진기를 사용하여 초저감쇠 Co₂₅Fe₇₅ 및 Co₁₀Fe₉₀ 박막의 자화계수 특성을 측정한다. Co₂₅Fe₇₅에 대해 λ∥ = (−20.68 ± 0.25) × 10⁻⁶의 큰 음성 자화계수를 보고하여 강한 자방성 응답과 저감쇠 마그노닉 및 센서 응용 분야에 적합함을 확인한다.

ABSTRACT

We investigate the magnetoelastic properties of $\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}$ and $\mathrm{Co_{10}}\mathrm{Fe_{90}}$ thin films by measuring the mechanical properties of a doubly clamped string resonator covered with multi-layer stacks containing these films. For the magnetostrictive constants we find $\lambda_{\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}}=(-20.68\pm0.25) imes10^{-6}$ and $\lambda_{\mathrm{Co_{10}}\mathrm{Fe_{90}}}=(-9.80\pm0.12) imes10^{-6}$ at room temperature. In stark contrast to the positive magnetostriction previously found in bulk CoFe crystals. $\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}$ thin films unite low damping and sizable magnetostriction and are thus a prime candidate for micromechanical magnonic applications, such as sensors and hybrid phonon-magnon systems.

연구 동기 및 목표

• 초저감쇠 Co₂₅Fe₇₅ 및 Co₁₀Fe₉₀ 박막의 자화계수 특성을 정량화하여 스핀트로닉스 및 마그노닉 응용에 핵심적인 역할을 하는 것을 목적으로 한다.
• 박막에서 관측된 부품과 박막의 자화계수 값 간의 괴리, 특히 박막 CoFe에서 관측된 부품 반전 현상과의 불일치를 해결하는 것을 목적으로 한다.
• 고정밀도로 소형·저체적량 자성 박막의 자방성 매개변수를 측정할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 수립하는 것을 목적으로 한다.
• Si₃N₄ 기판에 성장된 초저감쇠 Gilbert 감쇠 특성이 유지되는지 확인하여 나노기계 장치에의 통합 가능성을 입증하는 것을 목적으로 한다.
• 자방성 상수 b₁을 결정하고, 밀도 및 전단 탄성율과 같은 물성과의 상관관계를 규명하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• 이중 클램프된 Si₃N₄ 나노스트링 공진기를 다층 CoFe 박막 스택으로 코팅하여 자방성 효과에 의한 기계적 공진 주파수 이동을 변환한다.
• 적용 자기장의 각도 Φ에 따라 자화 방향 의존성 공진 주파수 Ω₀(Φ)를 측정하고, 자유 에너지 최소화를 통해 관계식 Θ(Φ) = Φ − [K sin(2Φ)] / [−Mₛμ₀H + 2K cos(2Φ)]를 이용해 Θ로 변환한다.
• 이론적 모델 Ω₀ = π√[(σ₀ + σ₁ cos Θ₂) / (ρₑff L²)] × [1 − 2√(E t² / 12) / (σ₀ + σ₁ cos Θ₂)]을 사용하여 주파수 이동을 피팅하고, 자화 재정렬에 의한 응력 조절량 σ₁을 추출한다.
• 자기응력 상수 λ∥ = σ₁ t / (t_CoFe E_CoFe)를 통해 평행 자화계수 상수를 계산한다. 여기서 t_CoFe와 E_CoFe는 CoFe 박막 두께와 에너지 모odulus이다.
• 자방성 상수 b₁ = −3λ∥G / Mₛ를 사용하여 전단 탄성율 G와 포화 자화 Mₛ를 이용해 응력-자화 결합 강도를 정량화한다.
• 무패tern된 CoFe/Si₃N₄ 샘플에서 자성공진을 통해 저감쇠 특성을 검증하였으며, 20 nm 두께의 Co₁₀Fe₉₀에 대해 α = 4.2 ± 0.2 × 10⁻³임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저감쇠 Co₂₅Fe₇₅ 박막의 자화계수 상수 λ∥는 얼마이며, 부품 CoFe와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ2 Co₂₅Fe₇₅ 박막에서 관측된 자화계수의 음성 및 크기가 부품 결정에서 관측된 부품 반전 현상에도 불구하고 유지되는가?
• RQ3 Co₂₅Fe₇₅ 및 Co₁₀Fe₉₀ 박막의 자방성 특성은 부품 Co 및 Fe와 비교해 어떻게 다른가? 이전 캔틸레버 방법으로 측정된 문헌치와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 Si₃N₄ 기판에 성장된 초저감쇠 Co₂₅Fe₇₅의 Gilbert 감쇠 특성이 유지되는가? 이는 나노기계 장치에의 응용 가능성을 의미하는가?
• RQ5 관측된 자성 이방성의 기원은 무엇이며, 형상 이방성 및 자방성 이방성과 비교해 보면 어떠한가?

주요 결과

• 실온에서 Co₂₅Fe₇₅의 자화계수 상수는 λ∥ = (−20.68 ± 0.25) × 10⁻⁶로 측정되어 강한 음성 자방성 응답을 나타낸다.
• Co₂₅Fe₇₅의 자방성 상수 b₁은 2.62 ± 0.05 T로 결정되어 응력과 자화 간의 뚜렷한 결합 강도를 확인한다.
• Co₁₀Fe₉₀에 대해서는 자화계수 상수 λ∥ = (−9.80 ± 0.12) × 10⁻⁶, b₁ = 1.30 ± 0.02 T로 측정되어 감소했지만 여전히 상당한 자방성 응답을 보인다.
• 자성공진 측정을 통해 Co₂₅Fe₇₅의 초저감쇠 특성이 Si₃N₄ 기판에 성장된 상태에서도 유지됨을 확인하였으며, 20 nm 두께의 Co₁₀Fe₉₀에 대해 Gilbert 감쇠 계수 α = 4.2 ± 0.2 × 10⁻³임을 확인하였다.
• 샘플의 총 자성 이방성 자기장은 Baniso ≈ 400 mT로 추정되었으며, 형상 이방성(≈100 mT), 축이방성(≈300 mT), 자방성 이방성(≈4 mT) 기여도로 구성되어 있다.
• 결과적으로 Co₂₅Fe₇₅ 박막은 부품 Co와 Fe 사이를 보간하는 자화계수를 보이지만, 부품 CoFe와는 반대 부호를 가지며, 성장 조건과 미세구조의 강한 영향을 반영한다.