우수한 연자성 특성과 자왜 특성을 동시에 나타내는 철계 아몰퍼스 박막을 이용한 고기능성 센서나 신호처리소자와 같은 자기탄성 디바이스를 구현하기 위해서는 자기이방성의 제어가 필요하다. 본 연구에서는 철계 아몰퍼스 박막의 자기이방성을 제어하기 위해서 바이어스 응력을 이용한 자기이방성제어 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 박막의 기판을 굴곡시킨 상태에서 열처리를 실시하여 박막의 응력을 해소하고, 열처리 후 박막기판의 형상을 원상으로 복귀시켜서 박막에 바이어스 응력이 인가되도록 하고, 이 응력에 의해서 박막의 자기이방성이 제어되도록 하는 것이다. 응력을 이용하여 자기이방성을 제어한 박막패턴을 자구의 관찰과 자화곡선의 평가를 고찰한 결과, 제안한 자기이방성 제어방법이 유용함을 알 수 있었다.
Cu/(NiFe/Ni/NiFe) 금속다층막을 Si(100), Si(111), $4^{\circ}\;tilt-cut\;Si(111)$, slide glass등의 기판 위에 형성하여 자기저항 특성 및 자기이방성을 고찰하였다. $50\;{\AA}$의 Cu를 바닥층으로 사용한 경우 $4^{\circ}\;tilt-cut\;Si(111)$ 기판 위에서 면내 일축 자기이방성을 보였으며 다른 기판 위에서는 자기이방성을 보이지 않았다. 바닥층이 없는 경우나 NiFe, Ni등을 바닥층으로 사용한 경우 $4^{\circ}\;tilt-cut\;Si(111)$ 기판 위에서 자기이방성은 나타나지 않았으며, Cu 바닥층을 증착하기 전 NiFe를 $10\;{\AA}$ 증착하고 형성한 금속다층막의 경우도 면내 자기이방성이 나타나지 않았다.
전기용량법에 의한 자기이방성 측정장치를 설계 제작하였다. 균이자기장 속에서 원판 또는 구형의 시료가 자기이방성에 의해 받는 토오크를 평행판 축전기의 미소용량 변화로 변환하여, 그것을 변압기 부리지 로 검출하였다. 3% Si-Fe 단결정의(100)면에 대한 입방 이방성 $K_{1}$은 $3.3{\times}10^{4}\;J/m^{3}$가 얻어졌으며, 교정에는 Ni선의 형상이방성을 이용하였다. 기타 수종의 시료에 대한 결과도 기존치와 좋은 일치를 보였다.
수직자기이방성을 갖는 [Co/Pt]$\times$5 다층박막을 상온에서 이온빔 증착(ion beam deposition)법으로 제작하여 자기적 및 열적 특성을 연구하였다. 수직자기이방성 특성은 비정상 홀(Hall)-전압법으로 측정하였으며, 표면광 Kerr 효과로 확인하였다. $[Co(10{\AA}/Pt(12.5{\AA})]{\times}5$) 다층박막에서 수직자성 보자력은 400 Oe이었고 수평자성은 매우 큰 곤란축(hard-axis) 특성을 유지하였다. 진공 열처리 시 1 kOe의 균일한 자기장이 박막면 수평(시료 A)과 수직(시료 B)이 되도록 각각 인가함에 따라 열적안정성을 관찰하였다. 시료 A의 수직자성의 보자력이이 $300^{\circ}C$에서 1 KOe로 유지되어 시료 B의 열적안정성 보다 훨씬 우수하였다.
고상에피택시방법으로 성장한 YIG 박막의 온도에 따른 자기특성의 변화를 결정이방성과 수직이방성을 중심으로 측정하였다. 고상에피택시법의 열처리 온도가 낮을 경우 전위가 발생하여 응력을 해소함으로써 수직이방성이 유도되지 않았으나 높은 온도에서 열처리된 박막에는 우수한 에피택시성장으로 잔류응력이 축적되어 수직이방성이 유도되었다. 수직이방성자장은 기판과 박막의 열팽창계수의 차이로 결정자기이방성이 없어지는 온도까지 선형으로 감소하였고, 보자력도 온도가 증가하면 감소하였다. YIG(111) 에피택시박막에 수직이방성이 유도되었을 경우 결정이방성상수 $K_1$을 $H_k=4K_1/3M_s$로부터 결정할 수 있었다. 온도에 따른 초자화율의 거동은 Hopkinson 효과로 잘 설명되어졌으며 측정결과를 이용하명 상자성 자화율이 큰 기판위에 성장한 박막의 큐리온도를 쉽게 측정할 수 있었다.
앞의 논문에서 살펴 본바와 같이 밀도 범함수 이론에 바탕을 둔 제일 원리적 에너지 띠 계산 방법의 하나인 FLAPW(Full-potential Linearized Augmented Plane Wave) 방법 에 의해 표면, 계면, 초격자에서의 전자 구조및 자기적 성질, 그리고 구조적 성질이 잘 설명될수 있음을 보았다. 이러한 성공적 결과에도 불구하고 전자구조 계산 방법은 풀어야할 새로운 문제에 직면하고 있는데 그 중 중요한 것은 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling : SOC)을 어떻게 취급하며, 그 결과로 나타나는 자기 결정 이방성( magnetocrystallinge anisotropy : MCA)과 강자성 금속에서 나타나는 광자기적 효과를 설명하는 것이다.
자기저항헤드용 Ni-Fe-Co/Cu/Ni-Fe-Co/Fe-Mn 다층박막에서 자기적 성질과 전기적 성질에 관하여 조사하였다. 저 포화자계에서 고 자기저항을 나타내는 스핀 밸브형 다층박막을 제작하기 위하여 Borond이 도핑된 p-type Si(100)기판위에 Ni-Fe-Co 단층박막과 Si/Ni-Fe-Co/Cu/Ni-FeCo, Si/Ni-Fe-Co/Fe-Mn 구조의 다층막을 제작하여 자기적 특성을 조사하였다. Ni-Fe-Co 단층박막의 자기적 특성은 고정된 아르곤 분압에서 박막의 두께 등에 의존성이 있는 것으로 나타났다. 또한 Si/Ni-Fe-Co($70AA$)/Fe-Mn 구조에서 Ni-Fe-Co와 Fe-Mn 계면에서의 두 자성층의 이방성 차이에 의해서 발생되어지는 교환자기이방성이 존재하였으며, 교환자기이방성자계값은 Fe-Mn 두께가 $150\AA$일 때 가장 큰 값을 나타내었다. Ni-Fe-Co texture와 교환자기이방성자계값은 Fe-Mn 두께가 $150\AA$일 때 가장 큰 값을 나타내었다. Ni-Fe-Co texture와 교환자기이방성자계값의 의존성을 알아보기 위하여 Ti, Cu를 바닥층으로 사용하였다. Ti을 바닥층으로 사용하였을 경우, 교환자기이방성자계값은 23.5 Oe 정도의 가장 큰 값을 나타내었다. XRD 분석결과, Ti 바닥층이 Cu 바닥층이나, 바닥층이 없는 경우와 비교하여 성막된 Ni-Fe-Co 자성층의 강한 fcc(111) texture를 형성하는 것으로 나타났다. 각각의 단층박막과 다층박막에서의 자기적 특성을 측정한 후, Si/Ti($50\AA$)/Ni-Fe-Co($70\AA$)/Cu($23\AA$)/Ni-Fe-Co($70\AA$)/Fe-Mn(150$\AA$)/Cu(50$\AA$)의 스핀밸브구조를 갖는 다층박막을 제작하였으며, 11 Oe의 낮은 포화자계값에서 4.1%의 고 자기저항값을 얻을 수 있었다.
DC 마그네트론 스파터링 방법으로 제작한 F $e_{84}$ N $b_{16}$ (wt.%) 박막의 온도변화에 따른 자기적 특성을 강자성 공명 흡수선의 거동을 통하여 고찰했다 모든 온도영역에서 다수의 체적 모드 스핀파와 한 개 또는 두 개의 표면 모드가 관측되었는데, 이와 같은 현상은 시편 양면의 표면 자기 이방성이 0보다 작은 경우에 나타나는 특성이다. 113-293K 온도영역에서 포화자화는 Bloch의 $T^{2}$ 3/ 법칙과 부합되는 모습을 보였으며, 분광학적 분리인자는 온도변화에 비교적 작은 변화 폭을 보였다 233-293K 온도구간에서 기판과 접하는 시편면의 표면 자기 이방성 상수 Ksl는 온도감소에 따라 그 갈이 비교적 큰 폭으로 증가하는 특성을 나타냈다. 그리고 공기와 접하는 시편면의 표면 자기 이방성 상수 $K_{sl}$ 은 상온에서 -0.322 erg/$\textrm{cm}^2$인 값을 보이다가, 온도가 253 K로 내려가면 -0.394 erg/$\textrm{cm}^2$로 감소한 후, 그 이하의 온도영역에서는 온도에 비교적 둔감한 특성을 보였다.
급냉응고법으로 제조된 NdFeB 분말로부터 Current applied(CA)-press 및 Current applied(CA)-deformation 공정에 의해 등방성 및 이방성 NdFeB 영구자석을 제조하고, 이로부터 자기적 특성을 조사하였다. 등방성 NdFeB 영구자석의 보자력은 시료에 가해지는 압력에 따라 크게 다르며, 상대적으로 높은 압력에서 보자력이 크게 나타났다. 반면 잔류자화는 시료에 가해졌던 압력 및 전류의 변화에 관계없이 거의 일정하였다. 등방성 시편인 경우 대체로 최대자기에너지적이 15MGOe이상이며, CA-deformation에 의해 40MGOe이상의 이방성 NdFeB 영구자석이 얻어졌다. 이방성 시편의 가공도가 클수록 B$_{r}$의 증가로 인하여 최대자기에너지적이 증가하였으며, 시편의 가공도가 81%일 때 44.2 MGOe의 고에너지적을 가지는 이방성 NdFeB영구자석이 얻어졌다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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