오비탈 홀 효과에 의해 유도된 단방향 자기저항에 관한 연구 = A Study on Unidirectional Magnetoresistance Induced by the Orbital Hall Effect

국문 초록 (Abstract)

단방향 자기저항（unidirectional magnetoresistance, UMR）은 강자성층/비자성층 이중층의 단순한 구조에서 전류 또는 자화 방향에 따라 저항 차이를 읽을 수 있는 비선형 효과로 스핀트로닉 디바이스 응용에 높은 잠재성을 가지고 있다. UMR을 유도하기 위해서 스핀 홀 효과（spin Hall effect, SHE）에 기인하는 스핀전류뿐만 아니라 오비탈 홀 효과（orbital Hall effect, OHE）에 기인하는 오비탈전류가 소스가 될 수 있다는 가능성이 보고되고 있다. 본 연구에서는 이론적으로 유효한 스핀전류와 큰 오비탈 전류를 생성시킬 것으로 예상되는 Ir을 UMR의 소스층으로 도입하여, Ir/CoFeB, Ir/Pt/CoFeB, 그리고 Ir/Ta/CoFeB 구조에서 CoFeB의 두께변화에 따른 UMR을 연구하였다. 먼저, CoFeB의 두께가 3 nm 미만인 경우에 Ir/CoFeB 구조에서 Ir의 SHE에 의한 UMR이 관측되었다. 다음으로 Ir/Pt/CoFeB, Ir/Ta/CoFeB 구조에서는 Pt와 Ta 삽입층에서 오비탈-스핀 전환 （orbital-to-spin conversion）에 의해 OHE에 의한 UMR이 관측되었다. CoFeB의 두께가 3 nm 이상인 경우, 세 구조에서 UMR이 모두 양의 방향 으로 증가하는 경향성을 보였는데, 이를 분석하기 위해 댐핑-라이크 토크（damping-like torque, DLT）를 정량적으로 분석하였다. DLT는 CoFeB의 두 께가 3 nm 이상에서 점진적으로 감소하는 경향을 보였으며, 이를 통해 Ir 의 SHE에 의한 스핀전류 및 오비탈-스핀 전환에 의한 스핀전류는 두꺼운 CoFeB의 자화에서 감소하는 것을 확인하였다. 추가적으로 CoFeB 7nm 단 일층에서 발생하는 유효한 양의 UMR과 0에 가까운 DLT를 측정함으로써, CoFeB의 두께가 3 nm 이상인 구조에서 발생하는 양의 UMR은 CoFeB 자 체에서 기인함을 확인하였다. 본 연구는 오비탈 자유도에 의한 수송현상과 토크, 그리고 이 둘의 상관관계에 대해 분석함으로써 오비트로닉스 디 바이스 응용 잠재성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 제2장 이론적 배경 11
• 2.1 스핀 홀 효과 11
• 2.2 라쉬바-에델슈타인 효과 14
• 2.3 스핀-궤도 토크 16
• 2.4 오비탈 홀 효과 20
• 2.5 오비탈-스핀 전환과 오비탈 토크 22
• 2.6 단방향 자기저항 25
• 제3장 실험 방법 28
• 3.1 샘플 제작 28
• 3.1.1 박막 제작 28
• 3.1.2 소자 공정 29
• 3.2 하모닉 홀 측정법 32
• 3.2.1 단방향 자기저항 측정 32
• 3.2.2 홀 측정 및 열 기여 추출 36
• 제4장 실험 결과 및 분석 40
• 4.1 단방향 자기저항의 CoFeB 두께 의존성 40
• 4.1.1 CoFeB 3 nm 미만 구조에서 단방향 자기저항 분석 40
• 4.1.2 CoFeB 3 nm 이상 구조에서 단방향 자기저항 분석 41
• 4.1.3 CoFeB 단일층 구조의 단방향 자기저항 분석 41
• 4.2 토크 특성의 CoFeB 두께 의존성 45
• 4.3 Ir/Pt/CoFeB 구조의 오비탈-스핀 전환 분석 48
• 제5장 결론 50
• 참고문헌 51
• ABSTRACT 55