[논문 리뷰] Role of interfaces in the biased composition of TbFe(Co) thin films

Eloi Haltz, Raphaël Weil외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 25.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 41인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 TbFe(Co) 박막에서의 계면 효과가 부피 유사 자성층 내 조성 편향을 유도하며, 이로 인해 자성 보정 온도(Tcomp)가 부피 거동과 다소 벗어나 크게 이격됨을 밝혀냈다. RBS, EELS 및 STEM를 통해 저자들은铽(Tb)가 계면, 특히 산화성 캡핑 층과의 계면으로 이동함을 입증하였으며, 이로 인해 효과적인 Tb 농도가 감소하고 자성 특성이 변화함을 확인하였다. 이는 전류에 의한 도메인 월드 운동 응용 분야에 결정적인 영향을 미친다.

ABSTRACT

Ferrimagnetic TbFe or TbFeCo amorphous alloy thin films have been grown by co-evaporation in ultra-high vacuum. They exhibit an out-of-plane magnetic anisotropy up to their Curie temperature with a nucleation and propagation reversal mechanism suitable for current induced domain wall motion. Rutherford back scattering experiments confirmed a fine control of the Tb depth-integrated composition within the evaporation process. However, a large set of experimental techniques were used to evidence an interface related contribution in such thin films as compared to much thicker samples. In particular, scanning transmission electron microscopy experiments evidence a depth dependent composition and perturbed top and bottom interfaces with preferential oxidation and diffusion of terbium. Despite of that, amorphous and homogeneous alloy film remains in a bulk-like part. The composition of that bulk-like part of the magnetic layer, labeled as effective composition, is biased when compared with the depth-integrated composition. The magnetic properties of the film are mostly dictated by this effective composition, which we show changes with different top and bottom interfaces.

연구 동기 및 목표

• 공증증착을 통해 제조된 TbFe(Co) 박막에서 조성 편향의 기원을 조사하며, 특히 깊이 통합 조성과 효과적 조성 간의 괴리 원인을 밝히는 것.
• 버퍼층과 캡핑층이 비정질 TbFe(Co) 박막의 계면 화학 및 자성 특성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 계면 조성 변화와 측정 가능한 자성 보정 온도(Tcomp)의 이격을 연관시키는 것. 이는 스핀트로닉스 장치의 핵심 매개변수이다.
• 다양한 캡핑 재료(Al, Pt, Ta, V)가 계면에서 Tb 확산 및 산화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 스핀트로닉스 응용을 위한 예측 가능한 자성 이방성과 Tcomp를 갖는 TbFe(Co) 기반 이종구조 설계의 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 초고진공(UHV) 조건에서 Tb와 Fe/Co의 동시 증착을 실시간 피드백 제어를 통해 수행하며, 정밀한 깊이 통합 조성을 확보하기 위해 3개의 실리카 밸런스를 사용한다.
• 깊이 통합 Tb 조성을 측정하고 증착 설정값을 검증하기 위해 루더퍼드 역산란 분석(RBS)을 사용한다.
• 깊이에 따른 조성 분석 및 계면 산화와 Tb 확산을 탐지하기 위해 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM)과 EELS를 조합한다.
• 층 두께를 校정하고 RBS 데이터를 보강하기 위해 표면 반사 X선 회절(XRR)을 사용한다.
• 보정 온도(Tcomp)를 결정하고 자성 이방성 및 도메인 움직임 역학을 평가하기 위해 자기 측정(VSM)을 수행한다.
• 캡핑 및 버퍼층(Al, Pt, Ta, V)을 체계적으로 변화시켜 효과적 조성과 Tcomp에 미치는 계면 효과를 분리 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊이 통합 조성이 정밀하게 제어됨에도 불구하고, 계면층이 비정질 TbFe(Co) 박막의 효과적 Tb 조성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 계면에서 Tb 확산 및 산화가 부피 거동과 비교해 자성 보정 온도(Tcomp)에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 박막의 Tcomp가 부피의 Tcomp 대비 Tb 조성 관계에서 벗어나며, 이는 캡핑층 재료와 두께에 의해 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 예를 들어 V나 Pt를 사용한 계면 공학이 Tb 이동을 효과적으로 억제하고 원하는 효과적 조성을 유지하는 데 기여하는가?
• RQ5 효과적 조성 편향이 TbFe(Co) 이종구조에서 전류에 의한 도메인 움직임(CIDWM)의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• RBS 및 EELS 분석을 통해 깊이 통합 조성이 정밀하게 제어됨에도 불구하고, 계면에서 Tb가 감소함에 따라 효과적 자성층에서 4%의 조성 편향이 발생함을 확인하였다.
• STEM 분석을 통해 상부 및 하부 계면에서 Tb의 선호적 산화 및 확산이 발생함을 확인하였으며, 특히 Al 캡핑층을 사용할 경우 계면에서 Tb 농축 영역이 형성됨을 관찰하였다.
• 7 nm 두께의 TbFe 박막에서 3 nm 두께의 Al 캡핑을 적용한 경우, 5 nm Al 캡핑과 비교해 보정 온도(Tcomp)가 최대 160 K 낮아지는 것으로 나타나, Tb의 강한 이동과 산화가 발생함을 시사한다.
• 바나듐(V) 버퍼층은 효과적인 확산 차단막으로서의 기능을 하지 못함을 확인하였으며, V 존재 여부에 관계없이 Tcomp의 이격 현상이 동일하게 유지됨을 통해 Tb 이동에 대한 보호 기능이 제한됨을 밝혀냈다.
• Pt 및 Ta 캡핑층의 경우 RBS가 산란 단면적의 겹침으로 인해 효과적이지 않지만, Tcomp 이격 경향은 그대로 유지되어, 계면 효과에 의해 유도된 상당한 효과적 조성 편향이 있음을 확인하였다.
• 효과적 Tcomp가 Tb 농도에 따라 변화하는 경향은 약 40 K/원자 %의 기울기를 보이며 부피 거동과 일치하지만, 실제로는 계면에서 Tb 손실로 인해 체계적으로 낮아지는 것으로 나타나, 자성 특성 조절에 있어 계면 화학의 결정적 역할을 확인하였다.