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DC Field Value Language
dc.contributor.advisor 홍정일 -
dc.contributor.author Kim, Hyun-Joong -
dc.date.accessioned 2020-08-06T06:16:14Z -
dc.date.available 2020-08-06T06:16:14Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000321850 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/12165 -
dc.description Exchange bias effect, piezoelectric strain, mechanical vibration, spin hall current -
dc.description.abstract In this thesis, electrical modulation of magnetic anisotropy has been investigated by using various methods including applying a mechanical strain, vibration and spin current. These external stimuli were mainly applied on exchange coupled antiferromagnet (AFM)/ferromagnet (FM) bilayers. In our present work, it was demonstrated that the magnitude of anisotropy as well as the direction of easy axis is determined by the applied DC piezoelectric strain. Furthermore, mechanical vibration, which is generated when AC electric field is applied on a piezoelectric substrate, can repeatedly realign or readjust the AFM spins along a desired direction in the single specimen. Finally, the AFM spins, which are distributed randomly in as-grown state, can be aligned in one direction by injecting spin current into AFM layer without an external magnetic field. This thesis is organized in three parts.
In the first section, coupling of magnetoelastic and piezoelectric effects is achieved with the FM Co60Fe20B20/AFM Co0.7Ni0.3O bilayers deposited on the surface of piezoelectric single crystalline substrate. Piezoelectric strain of the substrate is successfully transferred to the magnetic layers, and controllable variation of magnetic anisotropy in response to the elastic deformation is demonstrated in the M-H loops measured at various azimuthal angles with respect to the direction of AFM spin alignment. Magnetic behaviors of the exchange coupled bilayers can be understood by considering the competition of many magnetic anisotropy energies within the magnetic film based on the modified Meiklejohn and Bean (MB) model. From the comparison of experimentally measured results with the modified MB model, it is found that the strain in the film from the substrate effectively introduces additional uniaxial anisotropy in the FM layer with its anisotropy direction determined by the direction of the applied strain.
In the second section, alignment of the AFM spin structure in a uniaxial direction usually required a field annealing procedure, that heats the AFM material to a temperature above Néel temperature followed by cooling inside the magnetic field. Ferromagnet (FM) coupled to the uniaxially aligned AFM spins exhibits unidirectional anisotropy conventionally measured by exchange bias effect along the cooling field direction. In the present study, for the first time, we report that an alternating mechanical vibration in kHz frequency range can replace the heating procedure. AFM/FM bilayers were deposited on the surface of piezoelectric single crystalline substrate and mechanical vibration was applied via the AC electric field across the substrate at room temperature. It was found that the exchange bias effect of the bilayers can be set in any desired direction along the externally applied magnetic field with the help of vibration. The simple technique presented in the present study exclude the heating procedure, hence enables the local control of exchange bias effect in the micro-structured devices. Furthermore, repeated post-resetting of exchange bias direction as well as its magnitude can also be achieved.
In the third section, trilayers structure consisting of FM alloy CoFeB/AFM IrMn/heavy metal Pt layers was prepared and the manipulation of its exchange bias effect was achieved without applying an external magnetic field. Spin polarized current, generated by the spin Hall effect of the electrical current through Pt layer, was shown to be able to control the spin alignment state in the neighboring antiferromagnetic material as well as the corresponding exchange bias effect in the ferromagnet coupled to the antiferromagnet. The results demonstrated stable and reliable switching of spin structure in antiferromagnets providing a useful route to all-electrical manipulation of antiferromagnetic states without a need for bulky global application of external magnetic field. Therefore, with the results presented in the present work, precise control of magnetism including both ferromagnet and antiferromagnet in submicron to nanometer length scales can be expected.
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dc.description.statementofresponsibility N -
dc.description.tableofcontents Abstract i
List of contents iii
List of figures and tables ⅴ

Ⅰ. Controllable Magnetic Anisotropy Introduced by DC Piezoelectric Strain 1
1.1 Introduction about control of magnetic anisotropy using piezoelectric strain 2
1.2 Exchange biased system 5
1.3 Angular dependence of HE 7
1.3.1 Angular dependence of HE dependent on azimuthal configuration
of AFM spins 7
1.3.2 Modified Stoner-Wohlfarth Model & Critical Angle 10
1.3.3 Modified Meiklejohn-Bean Model 12
1.4 FE/AFM/FM structures 15
1.4.1 Sample fabrication 15
1.4.2 Crystalline structure by XRD &TEM 16
1.4.3 Piezoelectric strain of PMN-PZT 19
1.4.4 Methods & M-H Loops at various angles 21
1.5 Modified exchange anisotropy of FM/AFM bilayers by piezoelectric strain 24
1.5.1 Change of M-H loops under various electric field 24
1.5.2 Modulation of exchange anisotropy depending on strain type & its elastic stability 27
1.6 Analysis 33
1.6.1 Analyses of critical angle based on modified Stoner-Wohlfarth Model 33
1.6.2 Numerical analyses based on modified Meiklejohn and Bean Model 37
1.7 Summary 46

Ⅱ. Realignment of Antiferromagnetic Easy Axis Using Mechanical Vibration from Applied AC Electric Field 47
2.1 Field-mechanical vibration procedure 48
2.1.1 Setting unidirectional anisotropy in AFM/FM bilayers
after field-mechanical vibration procedure 48
2.1.2 Rotated AFM spin axes by piezoelectric strain 55
2.1.3 Self-heat generation from PMN-PZT 57
2.2 Realignment of antiferromagnetic easy axis in various AFM/FM structures 62
2.2.1 CoNiO/CoFeB structure 62
2.2.2 IrMn/Co structure 66
2.2.3 IrMn/CoFeB structure 68
2.2.4 IrMn/PMA [Co/Pt]n structure 72
2.3 Local exchange bias setting by field-mechanical vibration procedure 74
2.4 Summary 77

Ⅲ. Field-Free Control of Exchange Bias by Spin Hall Currents 78
3.1 Introduction of AFM spintronics 79
3.2 Control of exchange bias field by spin-Hall currents 82
3.2.1 Sample fabrication & Method for injecting spin current 82
3.2.2 Creation of HE by injecting spin current into AFM layer 85
3.2.3 Change of M-H loops after injecting various magnitude of current 88
3.2.4 HE reversal after the injection of pulse current in two opposite directions 90
3.2.5 Joule heating 93
3.3 Summary 96
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dc.format.extent 123 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.title Modification of Magnetic Anisotropy at the Interface between Antiferromagnet and Ferromagnet -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.200000321850 -
dc.description.alternativeAbstract 본 논문에서는 자성 박막에 기계적 변형과 기계적 진동 적용 및 스핀 전류의 주입을 통하여 자기 이방성 특성 변화를 조사 하였으며, 연구에 사용된 자성 박막은 교환 결합된 반강자성체/강자성체 이중 층이다. 간단히 소개하자면, 우선 이 연구에서는 DC 전기장을 통한 유도된 압전 변형을 자성 박막에 적용하여 이방성의 크기와 방향을 제어 가능함을 입증하였다. 이뿐만 아니라 AC 전기장을 압전 기판에 인가 시, 발생하는 기계적 진동은 단일 시편에서 반강자성체 스핀을 원하는 방향에 따라 반복적으로 재정렬 또는 재조정 할 수 있다. 마지막으로, 무작위로 분포 된 반강자성체 스핀을 외부 자기장없이 반강자성층에 직접적으로 스핀 전류를 주입함으로써 한 방향으로 정렬 할 수 있다. 이 논문은 세가지 연구로 구성되어 있다.
첫 번째 연구에서는 자기 탄성과 압전 효과의 결합을 위하여, 압전 단결정 기판 표면 위에 강자성체 CoFeB/반강자성체 CoNiO 이중 층을 성장한 시료를 사용하였다. 자기 이방성의 제어 가능 및 변화는 반강자성체 스핀 정렬 방향에 대해 다양한 방위각으로 측정된 M-H curve를 통하여 입증하였으며, 이는 기판의 압전 변형이 성공적으로 자성 층으로 전달되고 탄성 변형에 반응함을 보여준다. 이 결과를 정량적으로 해석하기 위하여, 개선된 Meiklejohn and Bean (MB) 모델을 적용하였고, 교환 결합된 이중 층의 자기 거동은 자성 필름 내에 존재하는 다양한 자기 이방성 에너지 간의 상호작용을 고려함으로써 이해 할 수 있다.
두 번째 연구에서는, 반강자성체의 스핀을 정렬 및 교환바이어스 필드 생성 방법을 다룬다. 일반적으로 단축 방향으로 반강자성체 스핀 구조 정렬은 자계 냉각 공정을 필요로 하는데, 이는 반강자성체 재료를 닐 온도 이상의 온도로 가열 한 다음 자기장 내부에서 냉각시킨다. 일축 정렬 된 반강자성체 스핀에 결합 된 강자성체 스핀은 냉각 필드 방향을 따라 교환 바이어스 효과에 의해 통상적으로 단 방향 교환 이방성을 나타낸다. 본 연구에서 처음으로, 수 kHz 해당하는 주파수 범위의 기계적 진동이 자계 냉각 공정의 가열 절차를 대체 할 수 있다. 이를 실현하기위해 교환 결합 된 이중 층은 압전 단결정 기판의 표면에 증착 되었고, 기계적 진동은 AC 전기장을 기판에 인가함으로써 발생한다. 이중 층의 교환 바이어스 효과는 기계적 진동의 도움으로 외부에서 인가 된 자기장을 따라 임의의 원하는 방향으로 설정 될 수 있었다. 본 연구에서 제시된 간단한 기술은 가열 절차를 배제하므로, 미세 구조화 된 장치에서 교환 바이어스 효과의 국소 제어를 가능하게 한다. 또한, 교환 바이어스 방향의 반복적인 재설정 및 그 크기가 또한 변화 시킬 수 있었다.
세 번째 연구에서는 스핀 전류 주입을 통한 반강자성체 스핀 정렬 및 교환바이어스 필드 제어이다. 이를 위해, 강자성체인 합금 CoFeB/반강자성체인 IrMn/중금속인 Pt 층으로 구성된 삼 중층 사용하였다. 스핀 홀 효과에 의해 Pt층에서 생성 된 스핀 분극 전류 주입은 반강자성체의 스핀 정렬 뿐 만 아니라 교환 결합된 이 중층의 교환바이어스 필드 설정 및 스위칭이 가능함을 보여준다. 이 결과는 외부 자기장 적용없이 자화 모멘트가 0인 반강자성을 스핀 전류 주입만으로 가능함을 보여준다. 또한 서브 마이크론 내지 나노 미터 길이의 스케일에서 강자성체 및 반강자성체의 스핀을 제어 가능 함을 제시한다.
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dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Department of Emerging Materials Science -
dc.contributor.coadvisor Kim, Dong-Hyun -
dc.date.awarded 2020/08 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.MD김94M 202008 -
dc.date.accepted 7/23/20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 신물질과학전공 -
dc.embargo.liftdate 8/31/21 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Hyun-Joong -
dc.contributor.affiliatedAuthor Hong, Jung-Il -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Dong-Hyun -
dc.contributor.alternativeName 김현중 -
dc.contributor.alternativeName Hong, Jung-Il -
dc.contributor.alternativeName 김동현 -
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Department of Physics and Chemistry Theses Ph.D.

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