[논문 리뷰] Tuning perpendicular magnetic anisotropy in the MgO/CoFeB/Ta thin films

Tao Zhu, P. Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 11.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 MgO/CoFeB/Ta 박막에서 수직 자기이방성(PMA)이 MgO 층 두께를 변화시킴으로써 조절될 수 있음을 보여준다. PMA 강도는 MgO 두께가 증가함에 따라 크게 감소하는데, 이는 결정질 bulk MgO 상이 형성되어 MgO/CoFeB 인터페이스에서의 계면 자기이방성이 변화하기 때문이다. 이는 스핀트로닉스 응용을 위한 자기적 성질을 인터페이스 제어를 통해 설계할 수 있는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Understanding the magnetic anisotropy at ferromagnetic metal/oxide interface is a fundamental and intriguing subject. Here we propose an approach to manipulate the strength of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) by varying MgO thickness in the MgO/CoFeB/Ta thin films. We identify that the PMA at the MgO/CoFeB interface is tuned by the crystalline structure of bulk MgO layer and decreases dramatically due to the onset of crystalline MgO forming with the increase of MgO thickness. Our work opens an avenue to manipulate the magnetic anisotropy by the modification of the ferromagnetic metal/oxide interface.

연구 동기 및 목표

• MgO/CoFeB/Ta 이중막에서 MgO 두께가 수직 자기이방성(PMA)에 미치는 영향을 조사하는 것.
• MgO의 결정구조가 계면 자기이방성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 인터페이스 공학을 통해 PMA를 체계적으로 조절할 수 있는 방법을 확립하는 것.
• MgO 층의 형상과 자기이방성 강도 사이의 관계를 탐색하는 것.

제안 방법

• 체계적으로 변형된 MgO 두께를 가진 MgO/CoFeB/Ta 삼중박막의 제작.
• 구조적 일관성을 확보하기 위해 현장 내 증착 및 제어된 성장 조건의 사용.
• 자기이방성 탐측을 위해 자화계수 및 X선 자기원형이분극분광법(XMCD)의 활용.
• X선 회절(XRD)을 통한 결정구조 분석을 통해 상의 진화와 PMA 변화 간의 상관관계 분석.
• MgO 두께에 따른 PMA 에너지 밀도의 정량적 평가.
• 스펙트로스코픽 기법을 사용한 계면 전자구조 및 이방성 기여도의 조사.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MgO 두께를 증가시킬 경우 MgO/CoFeB/Ta 박막에서 수직 자기이방성(PMA) 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 결정질 bulk MgO의 구조가 계면 자기이방성 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 제어된 이중막에서 MgO 층 두께를 제어함으로써 PMA를 체계적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 증가하는 MgO 두께에 따라 관측된 PMA 감소의 근본 원인은 무엇인가?

주요 결과

• MgO/CoFeB/Ta 박막에서 수직 자기이방성(PMA)은 MgO 두께가 증가함에 따라 크게 감소한다.
• PMA 감소는 두께 증가에 따라 결정질 MgO 형성이 시작되면서 발생한다.
• MgO/CoFeB 인터페이스에서의 계면 PMA는 MgO 층의 구조 전이에 의해 강하게 영향을 받는다.
• 비정질 MgO 층은 더 높은 PMA를 나타내지만, 결정질 MgO는 PMA를 극적으로 억제한다.
• 이 연구는 페로자성 금속/산화물 인터페이스를 공학적으로 조절함으로써 자기이방성을 조절할 수 있음을 확인한다.
• 결과는 MgO 층의 결정성과 두께를 조작함으로써 PMA를 제어할 수 있는 명확한 길을 제공한다.