스핀 주입에 대한 퍼짐 이론

이병찬(B. C. Lee) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.2

자성체에서 비자성체로의 스핀주입(spin injection)을 설명하는 퍼짐이론(diffusion theory)에 대해서 살펴보았다. 먼저 기본 방정식을 유도하고, 그것을 강자성체/비자성체/강자성체 구조에 적용시켜, 스핀극나뉨과 자기저항을 구하였다. 주입된 스핀극나뉨 전류를 자기저항으로 검출하기 어려운 물리적 이유를 설명하고, 그 해결 방안에 대해서 논의하였다. The diffusion theory for spin injection from magnetic layer into nonmagnetic layer was reviewed. Basic equations were derived and applied to a ferromagnet/semiconductor/ferromagnet system. The spin polarization and magnetoresistance were calculated. The reason for difficulty in detecting spin injection with magnetoresistance was explained, and a possible solution was discussed.

CoFeHfO 박막의 자기적 특성

이광은(K. E. Lee), 느반더(L. V. Tho), 김상훈(S. H. Kim), 김철기(C. G. Kim), 김종오(C. O. Kim) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.4

??RF magnetron reactive sputtering법으로 CoFeHfO 박막을 상온에서 제작하여 산소분압에 따른 포화자화, 보자력, 이방성자계를 조사하였다. 최적조건인 산소분압 8 %에서 제조한 Co39Fe34Hf9.5O17.5 박막은 포화자속밀도(4πMs) 19 kG, 보자력(Hc) 0.37 Oe, 이방성자계(Hk) 48.62 Oe의 우수한 연자성을 나타내었다. CoFeHfO 박막의 전기비저항은 산소분압이 늘어남에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며 우수한 연자기적 성질을 가지는 Co39Fe34Hf9.5O17.5 박막의 경우, 300 μΩcm의 높은 전기비저항과 48.62 Oe의 높은 이방성자계 때문에??Co39Fe34Hf9.5O17.5 박막이 고주파에서 우수한 연자기 특성을 가지는 것으로 사료된다. Amorphous alloys of Co-rich magnetic amorphous films are well known as typical soft magnetic alloys. They are used for many kinds of electric and electronic parts such as magnetic recording heads, transformers and inductors. CoFeHfO thin films were prepared by RF magnetron reactive sputtering. The films were deposited onto Si(100) substrates with a power of 300W at room temperature. The reactive gas was introduced up to 10% (O₂/(Ar + O₂)) during deposition, and the Co39Fe34Hf9.5O17.5 thin film exhibit excellent soft magnetic properties : saturation magnetization (4πMs) of 19 kG, magnetic coercivity (Hc) of 0.37 Oe, anisotropy field (Hk) of 48.62 Oe, and an electrical property is also shown to be as high as 300 μΩcm. It is assumed that the good soft magnetic properties of Co39Fe34Hf9.5O17.5 thin film results from high electrical resistivity and large anisotropy field.

자기터널접합을 활용한 고집적 MRAM 소자 기술

전병선(Byong Sun Chun), 김영근(Young Keun Kim) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

자기터널접합 기반의 MRAM(magnetic random access memory)은 자기저항효과를 응용하는 메모리소자로서 비휘발성과 고속 정보처리가 가능할 뿐만 아니라 고집적화 할 수 있는 차세대 통합형 비휘발성 메모리이다. 그러나 기존의 메모리 소자들에 비해 스위칭 산포가 크고, 기록마진(writing margin)이 확보되지 않아 아직까지는 고집적화가 어려운 실정이다. 최근 포화자화가 낮은 NiFeSiB 및 CoFeSiB과 같은 비정질 강자성체를 자기터널접합의 자유층 재료로 사용하여 스위칭 자기장의 거대화를 크게 감소시켜 MRAM의 기록마진을 높이는 연구결과에 관해 정리하여 보았다. 그리고 이러한 물질을 이용하여 자기터널접합의 재생마진(reading margin)과 관련된 터널자기저항비의 인가전압의존성을 저감시킬 수 있었다. 본고에서는 나노자기소자 기술의 중요한 분야인 MRAM의 기술발전 방향과 연구사례를 소개하고자 한다. Ferromagnetic amorphous Ni₁?Fe?₂Si?B₁₄ and Co70.5Fe4.5Si₁?B₁? layers have been devised and incorporated as free layers of magnetic tunnel junctions (MTJs) to improve MRAM reading and writing performance. The NiFeSiB and CoFeSiB single-layer film exhibited a lower saturation magnetization (Ms = 800 emu/㎤, and 560 emu/㎤, respectively) compared to that of a Co??Fe₁?0 (Ms = 1400 emu/㎤). Because amorphous ferromagnetic materials have lower Ms than crystalline ones, the MTJs incorporating amorphous ferromagnetic materials offer lower switching field (Hsw) values than that of the traditional CoFe-based MTJ. The double-barrier MTJ with an amorphous NiFeSiB free layer offered smooth surface resulting in low bias voltage dependence, and high Vh and Vbd compared with the values of the traditional CoFe-based MTJ.

인공위성의 자세제어용 3-축 Flux-gate 마그네토미터 제작

손대락(Derac Son) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

본 연구에서는 인공위성의 자세제어용으로 사용될 3-축 flux-gate 마그네토 미터를 개발 제작하였다. 제작된 3-축의 flux-gate 마그네토 미터는 소비전력이 1 W 미만에서 정확도는 ±1% 이내였으며 noise는 1 ㎐에서 0.2nT/√㎐이였다. 또한 제작된 마그네토미터를 인공위성에 적용하기 위한 환경시험을 수행하였다. 환경시험으로 가속도시험은 진동주파수의 범위가 10 ㎐~1000 ㎐에서 15 g(g : 지구의 중력가속도)의 가속도에서 수행하였고, thermal cycle 시험은 1×10?? Torr의 진공에서 -55℃~80℃의 온도 사이에서 24시간 동안 4회의 thermal cycle 시험을 한 결과 모두 정상 작동 되었다. In this work, we have constructed 3-axis flux-gate magnetometer for the attitude control of satellite. The constructed magnetometer shows uncertainty of ±1%, noise level of 0.2nT/√㎐ at 1 ㎐ under 1W power consumption. Environment test for satellite component, acceleration test and thermal cycle test were carried out. For the acceleration test, magnetometer was vibrated frequency ranging from 10 ㎐ to 1 ㎑ at 15 g (g : gravitational acceleration at earth), and for thermal cycle test, 4 times of thermal cycle were carried out temperature ranging from -55℃ to +80℃ under vacuum of 1×10?? Torr.

Si<SUB>1-x</SUB>Mn<SUB>x</SUB>Te<SUB>1.5</SUB> 단결정의 구조적, 광학적, 자기적 특성에 관한 연구

황영훈(Younghun Hwang), 엄영호(Youngho Um), 조성래(Sunglae Cho) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

본 연구에서는 수직 Bridgman 법으로 묽은 자성 반도체 Si1-xMnxTe1.5 단결정을 성장시켜 Mn의 조성비 변화에 따른 광학적, 전기적, 그리고 자기적 특성을 조사하였다. X-선 회절 실험으로부터 육방정계(hexagonal) 구조임을 확인하였다. 광흡수 측정으로부터 에너지 띠 간격은 조성비 x와 온도 증가에 대하여 감소함을 보였다. 성장시킨 시료의 경우 강자성 특성을 나타내었으며, Curie 온도는 80 K 이상이었다. Mn의 조성비가 증가함에 따라 평균 자기 모멘트와 보자력 값은 증가하였다. We have investigated the Mn concentration-dependent structural, optical, magnetic properties in IV-VI diluted magnetic semiconductor Si1-xMnxTe1.5 crystals prepared by the vertical Bridgman technique. X-ray studies showed the single crystalline hexagonal crystal structure. From the optical absorption measurements energy band gap were found to decreases with increasing x and temperature. From the magnetization measurements the samples had ferromagnetic ordering with Curie temperature TC about 80 K. With increasing Mn concentration, the average magnetic moments per Mn atom determined from the saturated magnetization increased.

수직자기이방성을 갖는 [Pd/Co] Spin Valve 구조에서 자기저항효과

최진협(Jin-Hyup Choi), 이기암(Ky-Am Lee) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

수직자기이방성을 갖는 [Pd/Co] 다층박막으로 구성된 스핀밸브 구조에서 비자성층(space layer, SL) Pd 또는 Cu의 두께와 다층박막의 반복층수 N에 따른 자기저항효과의 의존성을 연구하였다. 비자성층을 Pd보다 Cu로 사용하였을 때 더 큰 자기저항비를 얻었다. 그리고 Cu층과 고정층 사이에 Co층을 삽입하는 경우 약 3배가량 자기저항비가 증가하는 것을 관찰하였다. Ta(2.1 nm)/[Pd(0.61)/Co(0.23)]₄/Cu(2.37)/Co(t)/[Pd(0.61)/Co(0.23)]₂/FeMn(10.6)/Ta(2.1) 구조에서 삽입된 Co층의 두께가 0.62 ㎚ 또는 1.01 ㎚에서 최대의 자기저항비 7.4 %를 얻었다. We have investigated the magnetoresistance (MR) effect of the spin valve structures composed of perpendicularly magnetized Pd/Co multilayers, with changing the space layer (Pd or Cu) thickness, the stacking number of the Pd/Co multilayers, and the Co insertion-layer thickness. The Cu space layer showed larger MR ratio than the Pd space layer. The Co insertion-layer between Cu layer and pinned layer enhanced the MR ratio about three times. The maximum MR ratio of 7.4 % was established in the sample with the Co insertion-layer thickness of 0.62 and 1.01 ㎚.

산소 결핍된 TiO<SUB>2-δ</SUB>: Ni 박막의 자기적 성질 연구

박영란(Young Ran Park), 김광주(Kwang Joo Kim), 김철성(Chul Sung Kim) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

졸-겔(sol-gel) 방법을 이용하여 제작된 산소결핍(oxygen vacancy) 들을 내포하는 Ni 도핑된 루타일(rutile) 구조의 TiO2-δ 박막들에 대하여 그 자기적 성질 및 관련된 전자구조적 성질에 대하여 조사분석 하였다. TiO2-δ : Ni 박막들에서 상온 강자성이 관측되었으며 Ni 도핑량이 증가할수록 포화 자화량(MS)이 점차 감소하며 6 at% 이상에서 일정한 값으로 유지되었다. 이와 같은 Ni 도핑량 6 at% 이하에서의 강자성 현상은 산소결핍 자리에 속박된 전자를 매개로 그 주위에 존재하는 불순물 이온들의 자기 능률들이 강자성 정렬을 이루게 되는 자기 폴라론(magnetic polaron)의 형성에 의한 것으로 해석된다. 소량의 Ni 도핑 시 각 이온 당 최대 3.7 μB/Ni의 큰 MS 값이 나타났으며, 6 at% 이상에서의 일정한 MS 값은 Ni cluster 형성에 의한 것으로 해석된다. 이와같은 Ni cluster의 존재는 시료들에 대한 Hall 측정 결과 나타난 Ni 도핑량 증가에 따르는 p-n 전도성 전이를 설명하여 줄 수 있다. We studied the magnetic and the related electronic properties of Ni-doped rutile TiO2-δ films (including oxygen deficiency δ) prepared using a sol-gel method. A room-temperature ferromagnetism was observed in the TiO2-δ : Ni films with the saturation magnetization (MS) decreasing with increasing Ni doping and remaining constant above 6 at% Ni doping. The observed ferromagnetism below 6 at% Ni doping is interpreted as due to magnetic polaron formed by a trapped electron in oxygen vacancy and magnetic impurity ions around it. For small Ni doping, MS up to 3.7 μB/Ni was obtained. The ferromagnetism for Ni doping above 6 at% is interpreted as due to the existence of Ni clusters that can explain the p-n conductivity transition observed by Hall effect measurements.

음향화학법을 이용한 균일한 나노 자성체의 합성

조준희(Jun Hee Cho), 고상길(Sang Gil Ko), 안양규(Yangkyu Ahn), 송기창(Ki-Chang Song), 최은정(Eun Jung Choi) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

초음파 조사 및 계면활성제 첨가에 따른 입자의 변화를 연구하기 위하여 침전법, 음향화학적 침전법 그리고 계면활성제를 첨가한 음향화학적 침전법으로 나노 입자를 합성하였고, X-선 회절실험을 통하여 마그네타이트가 합성된 것을 확인하였다. 침전법, 음향화학적 침전법으로 합성한 입자의 크기는 계면활성제를 첨가한 음향화학적 침전법으로 합성한 입자보다 크게 얻어졌고, 초음파 출력이 증가 할수록 크기는 증가하였다. 계면활성제로 올레인 산을 첨가한 음향화학적 기법에서는 계면활성제의 농도에 따라 입자 크기를 선택적으로 조절하여 합성 할 수 있었고, 단순 침전법이나 음향화학적 기법에서 보다 생성되는 입자의 크기 분포가 좁게 나타났다. 마그네타이트 나노 입자들의 자기적 특성을 SQUID를 통하여 분석한 결과, 실온에서 모두 초상자성 거동을 보이는 것으로 나타났다. Ultrasonic irradiation in a solution during the chemical reaction may accelerate the rate of the reaction and the crystallization at low temperature. We have synthesized nanometer sized magnetite particles using coprecipitation method, sonochemical method without surfactant, and sonochemical method with surfactant, in order to investigate the effect of ultrasonic irradiation and surfactant on the coprecipitates of metal ions. The size of the magnetite nanoparticles prepared by coprecipitation method, and sonochemical method without surfactant showed broad distributions. But we got uniform nanoparticles using a sonochemical method with oleic acid. The average size of the particles can be controlled by the ratio R = [H₂O]/[surfactant]. The size of the magnetite nanoparticles prepared by this method showed narrow distributions. We have characterized the nanoparticles using an X-ray diffraction (XRD), a superconducting quantum interference device (SQUID), and atomic force microscope (AFM). The size and distribution of the magnetite nanoparticles were measured by dynamic light scattering (DLS) method.

스핀밸브 바이오 센서를 이용한 혈액과 나노입자의 자성특성 검출

박상현(Sang-Hyun Park), 소광섭(Kwang-Sup Soh), 안명천(Myung-Cheon Ahn), 황도근(Do-Guwn Hwang), 이상석(Sang-Suk Lee) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

이온빔 증착 스퍼터링법과 광 리소그래피법으로 FeMn-스핀밸브 바이오 센서를 제작하였다. 혈액내의 Fe를 포함한 헤모글로빈(Hemoglobin) 과 나노 자성입자의 자성검출은 최대 자장감응 약 0.1~0.8%/Oe 인 거대자기저항 스핀밸브 바이오 센싱소자를 이용하였다. 사용된 혈액은 인체의 피였고, Co-페라이트 나노 자성입자는 수용성 무정형 실리카로 코팅이 되었으며, 그 크기의 평균직경의 범위는 9 ㎚에서 50 ㎚이었다. 실제 크기가 5×10 ㎛² 혹은 2×6 ㎛²로 제작된 센싱소자의 4 전극 중 전류 입력단자에 흐르는 감지전류는 1 ㎃로 하였다. 혈액과 나노자성 입자가 소자의 중앙부분으로 떨어졌을 때, 출력신호는 각각 자성 여부의 검출 특성을 알 수 있는 충분한 크기로 나타났다. In this study, a high sensitive giant magnetoresistance-spin valve (GMR-SV) bio-sensing device with high linearity and very low hysteresis was fabricated by photolithography and ion beam deposition sputtering system. Detection of the Fe-hemoglobin inside in a red blood and magnetic nanoparticles using the GMR-SV bio-sensing device was investigated. Here a human's red blood includes hemoglobin, and the nanoparticles are the Co-ferrite magnetic particles coated with a shell of amorphous silica which the average size of the water-soluble bare cobalt nanoparticles was about 9 ㎚ with total size of about 50 ㎚. When 1 ㎃ sensing current was applied to the current electrode in the patterned active GMR-SV devices with areas of 5×10 ㎛² and 2×6 ㎛², the output signals of the GMRSV sensor were about 100 ㎷ and 14 ㎷, respectively. In addition, the maximum sensitivity of the fabricated GMR-SV sensor was about 0.1~0.8%/Oe. The magnitude of output voltage signals was obtained from four-probe magnetoresistive measured system, and the picture of real-time motion images was monitored by an optical microscope. Even one drop of human blood and nanopartices in distilled water were found to be enough for detecting and analyzing their signals clearly.

조절 가능한 층간교환상호작용에 관한 연구

하승석(Seung-Seok Ha), 유천열(Chun-Yeol You) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.2

강자성체/비자성 금속/강자성체/반도체 구조에서 층간교환상호작용(interlayer exchange coupling) 에너지가 외부 인가전압으로 제어 가능함을 이론적으로 보였다. 비자성 금속층으로 격리된 두 강자성층 사이의 층간교환상호작용 에너지는 강자성체/비자성 금속 계면에서 전자의 스핀에 의존하는 반사율의 차이에 의해 결정된다는 것은 잘 알려진 사실인데, 이를 강자성체/비자성 금속/강자성체/반도체 구조에 적용하여 층간교환상호작용 에너지가 강자성체/비자성 금속/강자성체 계면에서 전자의 반사율뿐 아니라 강자성체/반도체 계면에서의 반사율에도 의존한다는 것을 보였다. 강자성체/반도체 계면에 생기는 Schottky 장벽의 높이와 두께는 인가전압으로 바꿀 수 있고, 그에 따른 전자의 반사율이 인가전압에 의해 바뀔 수 있음을 알 수 있었다. 결과적으로 일차원 자유전자 모델을 사용하여 외부 인가 전압으로써 두 강자성체 사이의 층간 교환 상호작용 에너지를 제어할 수 있다는 것을 확인하였다. We theoretically demonstrate that the interlayer exchange coupling (IEC) energy can be manipulated by means of an external bias voltage in a F₁/NM/F₂/S (F₁: ferromagnetic, NM: nonmagnetic metallic, F₂: ferromagnetic, S: semiconductor layers) four-layer system. It is well known that the IEC energy between two ferromagnetic layers separated by nanometer thick nonmagnetic layer depends on the spin-dependence of reflectivity to the F₁/NM/F₂/S four-layer system, where the reflectivities at the interface in NM/F₂ interface also depends on F₂/S interface due to the multiple reflection of an electron-like optics. Finally, the IEC energy depends on the spindependent electron reflectivity not only at the interfaces of F₁/NM/F₂, but also at the interface of F₂/S. Naturally the Schottky barrier is formed at the interface between metallic ferromagnetic layer and semiconductor, the Schottky barrier height and thickness can be tailored by an external bias voltage, which causes the change of the spin-dependent reflectivity at F₂/S interface. We show that the IEC energy between two ferromagnetic layers can be controlled by an external bias voltage due ti the electron-optics nature using a simple free-electron-like one-dimensional model.