Engineering Structural Asymmetry for Magnetization Control in Magnetic Thin Films

Abstract

This thesis proposes a novel paradigm in spintronics by investigating the precise engineering of structural and chemical asymmetry within magnetic thin films to enhance functional efficiency and simplify device architectures. Moving beyond conventional interface-dependent stacking methods, this work focuses on two strategic approaches to manipulate magnetic states and interactions through internal-body engineering. In the first part, we demonstrate functional spintronic operations within a single layer magnetic nanocomposite by utilizing chemical asymmetry. Through a controlled partial oxidation of Pt-Co0.7Ni0.3 alloys, we fabricated disordered nanostructures where ferromagnetic and diluted antiferromagnetic couplings coexist. We discovered that thermally unstable antiferromagnetic spins can be dynamically activated at room temperature via spin currents generated by the spin Hall effect. Crucially, an internal vertical oxygen concentration gradient is found to break structural symmetry, enabling field-free magnetization self-switching in a single- layer film. The second part explores the manipulation of interlayer exchange coupling in heterostructures by controlling crystallographic asymmetry. By utilizing a Ta boron sinker and MgO diffusion barriers, we successfully induced selective crystallization between two CoFeB layers. Verified through ferromagnetic resonance spectroscopy, this structural differentiation allows for the deterministic reversal of the IEC sign from an antiferromagnetic to a ferromagnetic state solely through the annealing process. In conclusion, this research establishes that engineering internal asymmetry—whether through chemical gradients or selective phase transitions—provides a robust pathway for magnetization control. These strategies offer significant advantages for the development of high-density, energy-efficient, and simplified spintronic architectures, such as next-generation SOT-MRAM.|자기 박막 시스템에서 자화 제어를 위한 구조적 비대칭성 설계

본 논문에서는 차세대 스핀트로닉스 소자의 효율적인 자화 제어를 위해, 자성 박막내에 의도적인 구조적 및 화학적 비대칭성을 설계하는 새로운 접근 방식을 제안한다. 박막 내부의 조성을 조절하거나 결정화 상태를 비대칭적으로 유동함으로써 자성 상태를 정밀하게 제어하는 두 가지 연구를 수행하였다. 첫 번째 연구에서는 단일층 자성나노복합체 박막 내의 화학적 비대칭성을 활용한 기능적 스핀 동작을 보고한다. 부분 산화 공정을 통해 강자성과 반강자성 상이 공존하는 Pt-Co0.7Ni0.3-O 단일 박막을 제조하였으며, 스핀 홀 효과로 생성된 스핀 전류가 상온에서 열적으로 불안정한 반강자성 스핀을 활성화 및 정렬시킴을 확인하였다. 특히 박막 내부에 형성된 수직적 산소 농도 구배가 구조적 대칭성을 깨뜨림으로써, 외부 자기장 없이 전류만으로 자화 방향을 반전시키는 field-free self-switching을 단일 박막에서 성공적으로 구현하였다. 두 번째 연구에서는 자성 적층 구조에서 결정 구조적 비대칭성을 이용하여 층간 교환 결합의 극성을 제어하는 기술을 제시한다. 붕소 흡수원(Ta) 과 붕소 확산 방지 층(MgO)를 적절히 배치하여 열처리 과정 중 두 자성층 사이에 선택적 결정화를 유도하였다. 강자성 공명 분석을 통해, 이러한 결정 상태 차이만으로 층간 교환 결합 부호를 반강자성에서 강자성 상태로 반전시킬 수 있음을 입증하였다. 결론적으로 본 연구는 박막 내부의 비대칭성 엔지니어링이 스핀트로닉스 소자의 기능적 효율성을 극대화할 수 있는 강력한 파라미터임을 보여준다. 이러한 전략은 향후 고밀도, 저전력 자성 메모리 및 차세대 자성 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.