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The study of anti-symmetric exchange interaction in heavy metal/ferromagnet multilayer structures

Title
The study of anti-symmetric exchange interaction in heavy metal/ferromagnet multilayer structures
Translated Title
중금속/강자성 다층박막에서 비대칭 교환상호작용에 대한 연구
Authors
Jinyong Jung
DGIST Authors
Jinyong Jung; Chun-Yeol You; June-Seo Kim
Advisor(s)
유천열
Co-Advisor(s)
June-Seo Kim
Issue Date
2022
Available Date
2022-03-08
Degree Date
2022/02
Type
Thesis
Keywords
스핀파 (spin wave), 쟐로신스키-모리야 상호작용 (Dzyaloshinskii-Moriya interaction), 수직 자기이방성 (perpendicular magnetic anisotropy), 브릴루앙 광 산란 분광계 (Bril-louin light scattering spectroscopy), 자기광학 커 효과 (magneto-optical Kerr effect)
Description
스핀파 (spin wave), 쟐로신스키-모리야 상호작용 (Dzyaloshinskii-Moriya interaction), 수직 자기이방성 (perpendicular magnetic anisotropy), 브릴루앙 광 산란 분광계 (Bril-louin light scattering spectroscopy), 자기광학 커 효과 (magneto-optical Kerr effect)
Abstract
Recently, the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction has been intensively investigated in the spotlight. This phenomenon is significantly considered due to potential application as it could open new paths to manipulate a quasiparticle information based on skyrmion. From several reports, the magnetic skyrmion state is well-known depending on Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density. To investigate this fun-damental asymmetric exchange interaction, the exact and reliable method in the quantitative determination of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density is highly required. Therefore, we study the magnetic thin film structure of the heavy metal (HM)/ferromagnet (FM) multilayers involving the perpendic-ular magnetic anisotropy obtained from the strong spin-orbit coupling of the heavy metal layer in this Thesis. Especially, we focus on the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density and the perpendicu-lar magnetic anisotropy. For the measurements, the Brillouin light scattering spectroscopy, hence, is mainly used. This measure-ment system is a well-known multi-purpose tool to investigate the thermally excited propagating spin wave to obtain the fundamental magnetic properties such as the perpendicular magnetic anisotropy, the saturation magnetization, the exchange stiffness constant, and the magnetic damping simultaneously. Furthermore, it can be directly determined the Dzyaloshinskii-Moriya interaction derived from the spin wave frequency dif-ferences of propagating spin waves in the spectrum of Brillouin light scattering spectroscopy. The main results are composed in the two parts such as the HM1/ferromagnet/ HM2 heterostructures depending on the stack-ing order of the HM, and the investigating method with anti-reflection layer for an accurate determination of interfacial Dzyalshinskii-Moriya interaction energy density in the HM/FM multilayers. These results are shown the potentiality for the finding of a stable skyrmion state and the more precise interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction energy density by an using anti-reflection layer.| 쟐로신스키-모리야 (Dzyaloshinskii-Moriya, DM)상호작용은 교환 상호작용의 한 종류로, 하이젠베르크 교환 상호작용과 다르게 스핀궤도 결합이 큰 물질과 인접한 자기모멘트 사이에서 작용하는 비대칭 교환 상호작용이다. 최근 DM 상호작용은 전류에 의해 동작하는 자구 벽의 이동속도를 현저히 증가시키며, 특히 스핀들이 소용돌이 모양으로 배열되는 자기 스커미온 구조를 형성하는데 중요한 역할을 한다는 것이 보고되었다. 자기 스커미온은 저전력, 고밀도, 초고속으로 구동 할 수 있다는 예측과 준입자 상태를 갖는다는 장점으로 차세대 자기메모리로 각광받고 있는 스핀궤도 돌림힘 기반 자기메모리 소자를 비롯하여 미래의 스핀트로닉스 소자의 중요한 후보로 대두되고 있다. 이러한 이유로 안정적인 자기 스커미온을 형성하기 위해 DM 상호작용과 수직 자기이방성에 대한 연구는 매우 중요하다. 이론적으로 안정적인 자기 스커미온 형성은 DM 상호작용을 갖는 자구 벽 에너지 밀도가 0 혹은 음수가 되는 것을 선호한다. 현재까지 다양한 방법으로 DM 상호작용을 측정하는 기술이 개발되었으며, 관련 연구도 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 중금속/강자성 다층 자기박막의 구조에서 중금속층의 강력한 스핀궤도 결합으로 얻은 DM 상호작용과 수직 자기이방성의 물리적 현상에 초점을 맞추어 수행되었다. 물리적 현상을 조사하기 위해 브릴루앙 광 산란 (Brillouin light scattering) 방법이 주요하게 이용되었다. 이 측정방법은 입사하는 빛을 이용하여 열적으로 들뜬 스핀파를 조사하여 DM 상호작용, 수직 자기이방성, 포화 자화, 교환 뻣뻣함 상수, 자기 감쇠 상수 등 기본적인 자기적 특성을 동시에 측정할 수 있는 다목적 측정도구이다. 본 논문은 크게 두 가지의 주요한 연구를 수행한다. 첫 번째 연구는 스핀궤도 상호작용의 물리적 현상을 관측하기 위해 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 구조적으로 동일하지만, 물질의 적층 순서가 역전된 Pd/Co/Pt과 Pt/Co/Pd의 시료를 제작하여 수행하였다. 실험결과 증착 순서에 따라서 수직 자기이방성이 크게 감소함을 실험적으로 관측하였다. 이 현상은 스퍼터를 이용하여 물질의 증착 순서에 따라서 침투하는 정도가 다르고, 이에 따라서 혼합이 일어나는 정도가 달라지는 것으로 해석할 수 있다. 하지만 수직 자기이방성의 극적인 변화에도 DM 상호작용 에너지 밀도는 크게 변화하지 않는 다는 것을 실험적으로 관측하였다. 실험결과를 기반으로 외부자기장이 없는 환경에서 Pd/Co/Pt 구조는 특정한 Co 두께에서 자구 벽 에너지 밀도가 음수가 되는 영역을 갖는다는 것을 계산을 통하여 증명하였다. 두 번째 연구는 신뢰성 있는 DM 상호작용 에너지 밀도 결정과 관련이 있다. DM 상호작용을 관측하기 위하여 브릴루앙 광 산란 분광계는 필수적으로 요구되는 장비이다. 근본적인 비대칭 교환상호작용을 조사하기 위하여, 계면 쟐로신스키-모리야 상호작용 에너지 밀도의 정확하고 신뢰할 수 있는 정량적 측정방법이 요구된다. 하지만 측정하는 시료의 거칠기 및 계면의 구조적인 형태에 따라서 자성층 계면에서 스핀파의 형성이 어려운 경우가 있으며, 이는 스핀파의 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR)가 낮은 실험결과를 초래한다. SNR이 낮은 경우 다양한 물리적 특성을 정확하게 분석하기 어렵다. 이러한 실험적 한계를 극복하기 위해 자기광학 학계에서 잘 알려진 방법인 무반사 코팅 (Anti-reflection coating)을 이용하여 스핀파의 크기를 획기적으로 증가시켰다. 물질 간 계면에서 일어나는 다중반사와 반전대칭이 깨진 구조를 위해 무반사 층으로 MgO를 사용되었다. 이 연구를 통하여 무반사 코팅을 이용하여 신뢰성 있는 DM 상호작용 에너지 밀도 측정을 실험적으로 증명하였다. 본 연구는 상온에서 외부 자기장 인가없이 간단한 구조의 자성박막에서 자기 스커미온을 형성하는 새로운 방법을 제시하였고, 자기 스커미온 생성과 관련하여 주요한 물질의 특성인 DM 상호작용 에너지 밀도의 신뢰성 있는 결정방법을 제안하였다. 이 결과는 현재 활발히 연구되고 있는 스핀궤도 돌림힘 기반 자기메모리 소자와 자기 스커미온 기반 소자의 응용연구에 도움이 될 것으로 기대된다.
Table Of Contents
Ⅰ. Introduction 1 Ⅱ. Theoretical backgrounds 10 2.1 Exchange interaction 10 2.1.1 Heisenberg exchange interaction 10 2.1.2 Dzyaloshinskii-Moriya interaction 13 2.2 Magnetic anisotropy energy 15 2.2.1 Magneto-crystalline anisotropy 15 2.2.2 Shape magnetic anisotropy 17 2.2.3 Interfacial magnetic anisotropy 20 2.2.4 Perpendicular magnetic anisotropy 21 2.3 The other magnetic energies 23 2.3.1 Zeeman energy 24 2.3.2 Landau-Lifshitz-Gilbert equation 24 2.4 Spin wave 28 2.4.1 Basic concept of spin wave 28 2.4.2 Spin waves in the single magnetic thin film 33 2.5 Inelastic light scattering 37 2.5.1 Mechanism of inelastic scattered light 37 2.5.2 Brillouin light scattering 39 Ⅲ. Fabrication process and Experiment tools 42 3.1 Sample fabrication process 42 3.1.1 Magnetic multilayer deposition 42 3.1.2 Lithography techniques 45 3.1.3 Fabrication patterning process 47 3.2 Brillouin light scattering spectroscopy 49 3.2.1 Fabry-Pérot interferometer 49 3.2.2 Tandem Fabry-Pérot interferometer (TFPI) 55 3.2.3 Setup of Brillouin light scattering spectroscopy system 58 3.3 Magneto-optical Kerr effect 63 3.3.1 Background of Magneto-optical Kerr effect 63 3.3.2 Setup of Laser-Magneto-optical Kerr effect system 67 3.3.3 Automatically controlled z-axis stage for Wedge-type thin films 68 3.3.4 Customized sample holder with printed circuit board 70 3.4 SQUID-VSM measurements 71 Ⅳ. Result and discussion 1 73 4.1 Overview 73 4.2 Introduction 74 4.3 Sample fabrication and Experimental details 76 4.4 Experimental results and discussion 82 4.5 Find to nucleate the magnetic skyrmion state 89 4.5.1 Approach for numerical calculation 89 4.5.2 Approach for micromagnetic simulation 92 4.6 Summary 95 Ⅴ. Result and discussion 2 97 5.1 Overview 97 5.2 Introduction 98 5.3 Physical mechanism and experimental details 101 5.4 Experimental results and discussion 106 5.5 Summary 114 Ⅵ. Conclusion 115 Ⅶ. References 117 국문요약 130
URI
http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000596611
http://hdl.handle.net/20.500.11750/16340
DOI
10.22677/thesis.200000596611
Degree
Doctor
Department
Emerging Materials Science
University
DGIST
Related Researcher
  • Author You, Chun-Yeol Spin Phenomena for Information Nano-devices(SPIN) Lab
  • Research Interests Spintronics; Condensed Matter Physics; Magnetic Materials & Thin Films; Micromagnetic Simulations; Spin Nano-Devices
Files:
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Collection:
Department of Physics and ChemistryThesesPh.D.


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