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높은 수직자기이방성을 갖는 FePt 박막의 구조 및 자기적 특성에 대한 연구

Title
높은 수직자기이방성을 갖는 FePt 박막의 구조 및 자기적 특성에 대한 연구
Authors
안재영
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 물리학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
김태희
Abstract
Highly anisotropic FePt is a leading candidate material for ultra high density magnetic recording media of ~ 1Tbits/in2. A lot of investigations have been made to process FePt films by various thin film preparation techniques. However, avoiding a high temperature annealing process to form high anisotropic L10 FePt is actual challenges for the researchers to make this film suitable for reliable high-density data storage using conventional write heads. In this work, we investigated an appearance of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in L10 FePt thin films as a function of different buffer layer condition, Fe-Pt composition, film thickness and post annealing. Theses epitaxial thin films were fabricated by using UHV-MBE co-evaporation technique. Without high-temperature heat treatment, at substrate temperature (Ts) lower than 300 °C , the FePt films were deposited beyond the different thickness of Pt layer grown on with or without Fe seed layer and epitaxial MgO buffered-Si (100) substrate. We observed a (001)-oriented epitaxial L10 FePt film grown on the thinner (001)-oriented fcc Pt layer, while a poorly crystallized FePt film was formed on the (111)-textured Pt layer. The PMA observed in the FePt L10 phase with better crystalline structure. And according to composition dependence studies, as Fe content increases, c-axis lattice parameter decreases and PMA disappeared. However, when Pt content increases, the chemical ordering increases and PMA appeared. Also, unlike other previous research, PMA disappeared in a thinner FePt layer but after annealed the sample, PMA enhanced. The microstructural analysis of interfaces was carried out by high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) and X-ray diffraction (XRD). Magnetic properties were also measured by vibrating sample magnetometer (VSM).;수직자기 이방 성(PMA, perpendicular magnetic anisotropy)이란 평면에 수직한 방향으로 스핀들이 정렬되어 있는 상태를 말한다. 박막의 경우 형상 이방 성(shape anisotropy)으로 인해 면에 평행한 방향으로 스핀이 정렬되어있는 것이 일반적인 현상이다. 그러나 일축결정자기이방성에너지(KU, uniaxial magnetocrystalline anisotropy energy)가 크고 박막의 계면 및 표면 이방 성(interface/surface anisotropy)의 적절한 제어를 통해서 박막에서도 수직자기이방 성이 발현되도록 할 수 있다. 이러한 사례는 1954년 Néel에 의해 이론적으로 예견되었고 1985년 Carcia 그룹에서 실험적으로 증명 된 바 있다. 수직자기기록방식(PMR, perpendicular magnetic recording)을 이용한 테라 급의 고밀도 자기기록 매체의 구현을 위해서는 이러한 수직자기이방 성이 크고 열 적 안정성이 뛰어난 물질에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 L10 구조를 갖는 FePt 합금(alloy)이 각광받고 있다. L10 FePt는 구조에서 기인하는 강한 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling)으로 인한 결정자기이방성에너지가 매우 큰 물질 중 하나이기 때문이다. 기존의 sputter 방식으로 증 착 한 FePt는 disordered fcc(face-centered cubic) 구조의 (111) 우선 배향 성을 가진 형태로 성장하기 때문에 (001) 우선 배향 성을 갖는 ordered fct(face-centered tetragonal) 구조인 L10 상을 형성시키기 위해서는 약 500 ℃ 이상의 고온 열처리 과정이 수반되어야 한다고 알려져 있다. 그러나 이러한 고온 공정은 산업으로의 응용 가능성이 매우 낮기 때문에 FePt 박막의 저온 증 착 법의 개발에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 초고진공 분자선 증 착 장비(UHV-MBE; ultra high vacuum molecular beam epitaxy)를 이용하여 300 ℃ 이하 저온에서 수직자기이방 성을 갖는 L10 구조의 FePt 박막에 대해 연구하였다. UHV-MBE 시스템은 ~10-10 torr 의 초고진공 상태에서 상대적으로 느린 증 착 속도로 물질을 성장시키기 때문에 저온에서도 에피탁시 한(epitaxial) FePt 박막을 기대할 수 있다. 먼저 다양한 하지 층(buffer layer)을 이용하여 L10 구조를 형성하며 수직자기이방성이 크게 나타나는 표면과 계면에 대한 연구를 수행하였다. 또한 동시 증 착 기법(Co-evaporation technique)으로 Fe와 Pt의 조성비를 미세하게 조절하여 스핀-궤도 결합으로 수직자기이방 성이 향상되는 효과에 대해 조사하였다. 이후 FePt 자성 층의 두께에 변화를 주어 인위적으로 표면/ 계면 이방 성을 조절하는 연구를 하였으며, 박막 증 착 후 일정한 온도에서 열처리를 통해 화학적 질 서도를 향상시킴으로써 높은 수직자기이방 성을 확인하였다. 특히 본 연구에서 얻어진 포화 자 화 도(Ms, saturation magnetization)는 벌크 (bulk)의 포화 자 화 도와 동일한 값을 갖는다는 것으로 미루어 볼 때 매우 우수한 자기적 성질을 갖는 FePt 박막 이라고 판단된다. 박막에 대한 구조 분석은 X-선 회절분석법(XRD, X-ray diffractometer)과 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy)을 통해 수행하였고 자기적 특성은 진동 시료 자력 계(VSM, vibrating sample magnetometer)를 이용하였다.
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