http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.67.1035
Giant Magnetoresistive Property of a Superconductor Nb layer and a Spin-Valve NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn Multilayer Film
Woo-Il Yang
Department of Applied Physics and Electronics, Sangji University, Wonju 26339, Korea
Jong-Gu Choi · Sang-Suk Lee
∗Department of Oriental Biomedical Engineering, Sangji University, Wonju 26339, Korea (Received 20 July 2017 : revised 30 July 2017 : accepted 30 July 2017)
A hybrid film with a superconductor Nb (20 nm) layer and a giant magnetoresistance-spin valve (GMR-SV) NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm)/Cu (2.5 m)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) multi- layer were prepared on Corning glass by using ion beam deposition and dc magnetron sputtering.
The exchange-biased coupling field (Hex) and the magnetoresistance (MR) ratio of a hybrid-type GMR-SV film with a Nb buffer layer were above of 185 Oe and 5%, respectively. We suggest that GMR ratio, depending on the magnetization spin array of the pinned and the free layers, can show a very high negative value on the basis of the proximity effect at the interface between the ferromagnetic metal and the Nb superconductor.
PACS numbers: 73.21.Ac, 75.70.-i, 74.45.+c, 85.75.Ss, 85.70.Kh
Keywords: Giant magnetoresistance (GMR), Hybrid, Proximity effect, Critical temperature, Exchange bi- ased coupling field
초전도체 Nb와 스핀밸브 NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn 다층 박막의 거대 자기 저항 특성 연구
양우일
상지대학교 응용물리전자학과, 원주 26339, 대한민국
최종구 · 이상석
∗상지대학교 한방의료공학과, 원주 26339, 대한민국
(2017년 7월 20일 받음, 2017년 7월 30일 수정본 받음, 2017년 7월 30일 게재 확정)
이온빔 증착 시스템과 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 코닝유리 기판 위에 초전도체 Nb 박막과 거대 자기 저항 스핀밸브 (giant magnetoresistance–spin valve, GMR-SV) NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm)/Cu (2.5 m)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 다층 박막을 적층하여 시료를 제조하였다.
Nb (20 nm) 버퍼층과 계면을 이루는 GMR-SV형 하이브리드 다층 박막의 교환 결합 세기와 자기 저항비는 각각 185 Oe, 5%이었다. 금속과 Nb 초전도체간의 근접 효과를 바탕으로, 강자성체 고정층과 자유층의 자화 스핀배열에 따라 GMR-SV의 자기 저항비가 매우 크게 변할 수 있음을 제시하였다.
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PACS numbers: 73.21.Ac, 75.70.-i, 74.45.+c, 85.75.Ss, 85.70.Kh Keywords: 거대 자기 저항, 하이브리드, 근접 효과, 임계 온도, 교환 결합력
I. 서 론
반강자성체 NiO, FeMn, IrMn, PtMn 기반 강자성 체/Cu/강자성체 다층 박막을 광리소그래피 공정을 거체 만 들어진 거대 자기 저항 스핀밸브 (giant magnetoresistance- spin valve, GMR-SV) 센서들은 자기정보 저장매체 이외 에도 많은 분야에 응용되고 있다 [1,2]. GMR-SV 센서는 나침판, 자동차 부품, 방위측정기, 부호기, 무기용 금속체 탐지기, 전기전류 측정기, 와전류를 이용한 비파괴 검사기 등에 활용되어 왔다. 이뿐만 아니라 유체조절기와 자성 비드와 함께 미세 마커 (marker) 또는 라벨 (labelling) 을 이용하여 분자, 바이러스, 세포 등의 생체분해 검출기로 생명공학분야에 꾸준히 응용 연구되어 왔다 [1,2].
자성박막에서 강자성체와 반강자성체 사이 계면에서 보상되지 않는 스핀들의 존재로 인해 생기는 교환 결합 세기에 대한 규명은 지난 수 십년 동안 가장 연구되어야 하는 문제였다 [4,5]. 정적이고 동적인 실험적 기술에 의 해 양적인 효과가 측정이 되었으며, Co/IrMn 이중 박막에 대해서 면상의 공명 각도변화는 일축 이방성과 회전하는 이방성으로부터 나타나는 것이 바로 교환결합력이다 [3].
교환결합력 특성은 실제로 강자성층들의 스핀 구조로부터 생기는 결과이며, 강자성체와 반강자성체 간의 적층 순서와 버퍼층의 특성 등 여러 가지 매개 변수들의 요인들에 강하게 의존하게 된다 [3].
다른 한편으로 금속자성체와 초전도체 하이브리드 구조 에서 강자성층 스핀 방향의 변화가 초전도체 층의 초전도 특 성인 임계 온도에 주요한 영향을 준다는 연구 결과가 최근에 보고되었다 [3]. Nb 박막은 초전도 특성을 나타내려면 박막 두께가 10 nm 이상이 되어야 한다 [4]. 하이브리드 금속 자 성체와 초전도체 다층구조는 자성특성과 초전도 특성이 동 시에 나타나는 현상을 연구할 수 있고, 초전도체 층의 초전도 특성이 강자성체 층의 스핀 구조에 미치는 영향을 연구할 수 있는 시스템으로 여러 연구가 진행되어오고 있다. 최근 금속 자성체와 초전도체 하이브리드 다층구조에서 교환 결합 세 기와 자기-스프링 (magneto-spring) 효과의 가능한 공존 상 태를 규명하기 위해 Co/IrMn 이중구조의 교환 결합 세기에 대해 Nb 버퍼층 두께의 영향에 대한 연구 결과가 보고되었 다 [3]. IrMn 기반 NiFe/CoFe/Cu/CoFe/NiFe GMR-SV 다층 박막에서 버퍼층으로 Ta, Nb, Nb3Al를 각각 사용하여 버퍼층의 종류에 따른 자기 저항 (magnetoresistance, MR)
∗E-mail: sslee@sangji.ac.kr
특성을 연구한 실험결과도 보고된 바 있다 [5]. 본 연구의 결과는 Nb/CoFe/IrMn 3 중 박막에서 버퍼층 Nb 박막의 두께에 따른 교환 결합 세기 (exchange bias coupling field, Hex) 를 조사하였다. 또한 Ta 박막, 임계 온도 이하에서 저온 초전도체의 Nb 박막, Ta/Nb 이중 박막 등 3가지 형태 의 각기 다른 버퍼층 위에 반강자성체 IrMn을 상부층으로 하여 NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn GMR-SV 다층 박막을 제조하였다. 3가지 형태의 시료에서 측정한 MR 곡선으로 부터 얻은 (magnetoresistance, MR) 비 및 교환 결합 세기 특성을 비교하였다. 초전도 효과를 갖는 초전도체 박막과 거대 자기 저항 효과를 갖는 GMR-SV 다층 박막이 초전도 체 박막의 계면에서 강자성체 스핀의 영향으로 초전도체 특성의 변화로 인해 초거대 자기 저항 특성을 나타내는 가 능성을 제안하였다.
II. 실험 방법
Nb/CoFe/IrMn 3중 박막과 GMR-SV 다층 박막 시료는 코닝유리 위에 이온빔 증착 (ion beam deposition, IBD) 시 스템과 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputter- ing) 시스템을 이용하여 상온에서 적층되었다 [5,7,8]. Ta, Nb, Al, NiFe, CoFe, Cu 박막의 경우에는 증착율과 증착 균일도를 결정하는 가속 전압, 양극 (anode) 의 방전전압, 이온빔 전압 및 전류값은 각각 120 V, 30 V, 800 V, 6.0 mA이다 [6]. IrMn 박막 증착의 경우, 타겟의 원자가 원형 마그네트론의 자기장 세기가 큰 쪽으로 접속되어 스퍼터링 되는 전력 (electric power) 조건은 스퍼터링 전압과 전류가 각각 340 V, 70 mA이다. 다층 박막 구조로 적층되는 각층 박막의 두께는 챔버 내 수정 발진자 두께 모니터 (quartz crystal oscillator thickness monitor) 를 사용하여 조절되 었다 [5,7].
버퍼층 Nb 박막 위에 CoFe/IrMn 이중 박막을 적층하여 제작한 다층 박막 시료의 MR 곡선을 측정하여 Nb 박막 두께에 따른 교환 결합 세기를 조사하였다. 버퍼층 Ta 박막, Nb 박막, Ta/Nb 박막 위에 IrMn를 기반으로 한 GMR-SV 다층 박막 구조는 NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm)/Cu (2.5 nm)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 로 시료를 제작하여 그 MR 특성을 비교하였다.
Nb/CoFe/IrMn 삼중박막과 Nb박막을 버퍼층으로 한 GMR-SV 다층 박막에 대해 자화 용이축의 큰 자기장 (ma- jor) 및 작은 자기장 (minor) MR 곡선을 측정하였다. MR
곡선으로부터 반강자성체의 IrMn층과 강자성체 CoFe층 사이 계면에서 갖는 Hex와 보자력 (coercivity, Hc), 자기 저항비 (magnetoresistance ratio, MR (%)) 를 각각 구하 였다.
III. 실험 결과 및 토의
먼저 버퍼층 Nb 박막을 제작하기 위한 이온빔 스퍼터링 Nb 타겟에 대해 측정 온도에 따른 마이크로파 공진기를 이용한 표면저항방법으로 초전도 특성을 조사하였다 [9].
초전도 특성을 측정하기 위한 Fig. 1(a) 의 Nb 판의 두께는 200 µm이며 면적은 2 cm× 2 cm 이었다. Fig. 1(b)는 유 전체 공동 (cavity) 공진기 (resonator) 를 사용하여 주파수 24 GHz에서 측정한 Q값 (quality factor) 을 온도에 따라 나타낸 결과이다. Fig. 1(b) 의 결과로부터 Nb 박막 증착용 이온빔 타겟 Nb 판은 임계 온도가 10.8 K로 나타났다. 이 러한 결과로 부터 코닝 유리 위에 증착된 200 nm 이상의 Nb 박막 또한 임계 온도 이하에서 초전도체 특성을 보일 것으로 예상된다.
코닝 유리 위에 버퍼층 Nb 박막의 두께를 달리하여 CoFe/IrMn 박막을 제작하고 자기 저항 곡선을 측정하여 교환 결합 세기 특성을 조사하였다. Fig. 2(a) 와 Fig. 2(b) 는 Nb (2 nm)/CoF (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 다 층 박막을 4 단자법으로 측정한 MR 곡선과 MH loop 이 다. 이로부터 버퍼층 Nb 박막의 두께가 2 nm 일 때 CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm) 이중 박막의 교환 결합 세기 (Hex) 와 보자력 (Hc) 은 각각 150 Oe와 95 Oe임을 알 수 있다.
Fig. 2(c) 에는 버퍼층 Nb 박막의 두께가 0에서 24 nm 까지 변함에 따라 Hex와 Hc의 변화를 나타내었다. Nb 박막이 두께가 증가함에 따라 Hex와 Hc의 값이 각각 270 Oe에서 60 Oe로, 140 Oe에서 20 Oe로 감소하는 경향을 보였다.
Fig. 3에 코닝 유리 위에 버퍼층을 달리하여 3가지 형태의 Type A, Type B, Type C의 다층 박막 구조를 나타내었다.
Type A의 경우, Fig. 3(a) 처럼 IrMn 기반 GMR-SV 다층 박막 구조는 Ta (5 nm)/NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm)/Cu (2.5 nm)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 이다.
Type B의 경우, Fig. 3(b) 처럼 IrMn 기반 GMR-SV 다층 박막 구조는 Nb (20 nm)/NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm)/Cu (2.5 nm)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 이다.
Type C의 경우, Fig. 3(c) 처럼 IrMn 기반 GMR-SV 다층 박막 구조는 Nb (20 nm)/NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm)/Cu (2.5 nm)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 이다.
Fig. 3에서 설명한 3가지 형태의 IrMn을 기반으로 한 GMR-SV 다층 박막의 큰 자기장 MR 곡선을 Fig. 4에 나
Fig. 1. (a) Nb plate having a thickness of 200 µm and (b) Q factor having a critical temperature of 10.8 K for the superconductor Nb plate measured at 24 GHz by using dielectric loaded cavity resonator.
Fig. 2. (Color online) Exchange biased coupling field (Hex) and coercivity (Hc) versus thickness of Nb buffer layer of glass/Nb (t = 0 ∼ 24 nm)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) film.
타내었다. 일반적으로 사용되는 Ta 버퍼층은 Fig. 4(a) 에서 보여주듯이 비교적 안정된 GMR-SV형 MR 곡선으로 고정층의 Hex, Hc, MR (%) 는 각각 275 Oe, 25 Oe, 5.6%
이었다. Nb 버퍼층의 경우에는 Fig. 4(a) 의 Ta 버퍼층일 때와 비슷한 GMR-SV형 큰 자기장 MR 곡선을 보이며, 자기 저항 특성은 감소한 Hex = 185 Oe, Hc = 25 Oe, MR = 5.0%를 Fig. 4(b) 에 나타내었다. Ta/Nb 버퍼층의 경우에는 Fig. 4(a) 와 Fig. 4(b) 의 각각 Ta와 Nb 버퍼층일
Fig. 3. Structure of three types of IrMn based on GMR- SV films having three different buffer layers of Ta layer, Nb layer, and Ta/Nb bilayer, respectively.
Fig. 4. Major MR Curves for the three types GMR-SV samples with (a) Ta (10 nm), (b) Nb (20 nm), and (c) [Ta (10 nm)/Nb (20 nm) buffer layers.
Fig. 5. Minor MR Curves for the three types GMR-SV samples with (a) Ta (10 nm), (b) Nb (20 nm), and (c) [Ta (10 nm)/Nb (20 nm) buffer layers.
때와 비슷한 GMR-SV형 큰 자기장 MR 곡선을 보이며, 자 기 저항 특성은 Hex= 240 Oe, Hc = 30 Oe, MR = 5.2%
으로 나타났다. 이러한 결과는 Fig. 5에서 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층에 대한 작은 자기장 MR 곡선의 특성에 의해 자세하게 관찰되었다.
Fig. 5은 외부자기장 범위 (-60 Oe, +60 Oe) 에서 서로 다른 3가지 형태의 버퍼층을 갖는 GMR-SV 다층 박막 구조 에 대한 작은 자기장 MR 곡선이다. 큰 자기장 MR 곡선과 비슷한 크기의 자기 저항비 (MR(%)) 를 유지하고 있음을 알 수 있다. 비자성체의 Cu층을 두고 버퍼층 바로 위에 위치한 자유층의 NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm) 과 고정층의 CoFe (6 nm) 간 상호교환결합력 (Hint) 과 자유층의 보자력
Fig. 6. (a) Processing of Andreev reflection (Ref.11) (εF: Fermi energy, Eg: energy gap) with incident electron and reflected hole in metal (GMR-SV), Cooper pair (su- perconductor) and (b) Schematic of proximity effect be- tween GMR-SV (magnetic material) multilayer and Nb (superconductor) layer.
(Hc) 을 자세하게 관찰하였다. Ta 버퍼층일 때 Hint= 8.0 Oe, Hc = 1.0 Oe이며, Nb 버퍼층일 때 Hint = 0 Oe, Hc
= 7 Oe이고 Ta/Nb 버퍼층일 때 Hint= 4 Oe, Hc= 4 Oe 으로 나타났다. 특히 Ta 버퍼층의 경우, 자유층의 히스테 리시스 곡선은 사각비를 형성하여 자기감응도 (magnetic sensitivity, MS) 가 2.0 %/Oe를 이상을 유지하고 있음을 Fig. 5(a) 에 보여주었다. Fig. 5(b) 와 Fig. 5(c) 에서 Nb와 Ta/Nb 버퍼층 경우, 작은 자기장 MR 히스테리시스 곡선 으로부터 평균 MS가 0.3 %/Oe와 0.6 %/Oe로 Ta 버퍼층 경우보다 크게 감소하였다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때, Nb 박막이 IrMn층의 반강자성체 특성을 유지하는 씨결정 (seed) 버퍼층의 역할을 충분히 하고 있어서 IrMn을 기반 으로 한 GMR-SV 다층 박막 구조의 자기 저항 특성을 잘 유지하고 있음을 보여준 결과라 할 수 있다.
Fig. 5의 결과에서 Ta과 Nb 기반 시편의 경우 비슷한 크기를 갖는 MR을 나타내고 있지만, Nb 버퍼층의 시편의 경우 MS는 크게 감소함을 보였다. 이 결과가 Co/IrMn 이 중구조의 교환 결합 세기에 대해 Nb 버퍼층 두께의 영향에 대한 연구 결과만 보고한 것과 차이를 비교할 수 없다 [4,5].
하지만 Nb 버퍼층을 두고 증착된 GMR-SV 박막의 MR비 특성의 유지는 초전도체와 하이브리드 다층 박막 구조의 초전도-자기 저항 특성을 임계 온도 근처에서 처음으로 연 구하는데 의미가 있다고 볼 수 있다.
금속 Nb 판을 이용해서 측정한 초전도 임계 온도는 약 10.8 K 이며, Nb 박막으로 제작할 경우 박막의 두께가 초 전도 특성의 중요한 변수가 되는데, Nb 박막의 경우 10 nm 이상의 두께에서 초전도 특성이 나타나는 것으로 보고되어 있다 [3,4,10].
실온에서 측정된 본 연구 결과를 바탕으로 초전도체 박막 과 자기 저항 GMR-SV형 박막 간의 하이브리드 다층 박막 구조에서 초전도체 박막의 임계 온도 이하에서 나타날 수 있는 특성을 논의하고자 한다. Fig. 6(a) 에서 나타내었듯이
Fig. 7. Schematic for the hybrid superconductor/GMR- SV multilayer structure with (a) parallel (↑↑, state 1) and (b) antiparallel (↑↓, state 2) magnetization configuration of pinned and free ferromagnet (FM) layers. Here, all ar- rows represent the magnetizations of free and pinned FM layers. The value of magnetoresistance R (↑↑) is lower than R (↑↓), and one of remanent magnetization M (↑↑) is larger than M (↑↓). The critical temperature (Tc1) for parallel state is lower than (Tc2) for antiparallel state.
Tc1 and Tc2 is lower than the original critical tempera- ture (Tc) due to the remanent magnetization difference by the proximity effect at the interface of metal and su- perconductor.
초전도체와 일반도체인 금속이 계면 접촉되어 있을 경우 금속에서 초전도 특성이 나타날 수 있으며, 이러한 현상을 근접 효과 (proximity effect) 라고 한다 [11–15]. 근접 효과 를 설명하는 Andreev 반사 (reflection) 에서 금속 (mertal) 내의 준입자 (quasiparticle) 는 금속-초전도체 (N-S) 경계 에서 완전 역반사로 인해 반대의 전하와 스핀을 가지므로 반사되는 유사 입자가 입사되는 유사 입자들이 쌍을 이루 는 것으로 판단할 수 있으며, 초전도체 내의 Cooper 쌍의 형성에 영향을 주게 되어 초전도체의 임계 온도 Tc는 감소 하게 되는 것으로 알려져 있다 [15]. Fig. 6(b) 는 임계 온도 (Tc) 가 약 10 K인 Nb 초전도체를 버퍼층으로 하여 계면을 이루는 GMR-SV 다층 박막에서 강자성체 금속의 전자들과 준입자 쌍과 Cooper 쌍을 계면에서 반사와 교환을 일어나는 것을 도시한 그림이다.
Fig. 7는 초전도체 박막과 GMR-SV형 박막 간의 하이브 리드 다층 박막 구조를 각 층의 자화방향 화살표로 표시하여 나타내었다. 강자성체의 고정층의 자화는 자유층에서 보다 크므로 화살모양이 길고 굵게 표시하였다. 비자성체의 Cu 층을 사이에 두고 고정층과 자유층 간의 자화배열이 평행 상태 (↑↑, 1)와 반평행 상태 (↑↓, 2)를 Fig. 7(a)와 Fig. 7(b) 에 나타내었다. 거대 자기 저항 스핀밸브 효과에 의해 자
Fig. 8. Suggestion diagram of major MR curve for the hybrid GMR-SV films with superconduction Nb based buffer layer under external applied field. (a) The positive MR versus magnetic field curve of hybrid superconductor/GMR-SV films at room temperature [2].
(b) The negative MR versus magnetic field curve of hybrid superconductor/GMR-SV films at the neighbor- hood of critical temperature. Here the value of GMR ratio is -∞%.
기 저항값은 R (↑↑) 가 R (↑↓) 보다 작다. 평행과 반평행 상태의 잔류 자화값에 따라 금속과 초전도체와의 계면에서 일어나는 근접 효과 (proximity effect) 는 다르게 나타난다 [16,17].
평행 상태의 잔류 자화값 M1(↑↑)이 계면에서 근접 효과 로 인해 초전도체의 임계 온도 Tc1(↑↑)는 Fig. 6에서 설명한 대로 단일박막의 초전도체의 임계 온도 Tc 보다 낮게 된다.
반평행 상태의 잔류 자화값 M2(↑↓)도 계면에서 근접 효과 로 인해 초전도체의 임계 온도 Tc2(↑↓)는 Fig. 6에서 설명한 바와 같이 단일박막 본래의 초전도체의 임계 온도 Tc보다 낮게 된다. 평행 상태의 잔류 자화값 M1(↑↑) 이 반평행의 잔류 자화값 M2(↑↓) 보다 크므로 앞에서 언급한 임계 온도 Tc1(↑↑) 는 Tc2(↑↓) 보다 낮다. 강자성체의 자유층에서 자 화 방향을 0◦와 180◦으로 변화시키기 위해 인가되는 작은 외부자기장에 의해 초전도체 박막의 임계 온도 값이 조금 변화를 갖게 된다. 이러한 결과를 바탕으로 상온에서와 임계 온도 부근에서 측정되는 초전도체와 GMR-SV형 하 이브리드 다층 박막의 자기 저항비는 Fig. 8와 같이 나타날 것으로 예상된다.
초전도체와 GMR-SV형 하이브리드 다층 박막 구조에서 나타나는 거대 자기 저항 효과 및 초거대 자기 저항 효과 (super giant magnetoresistance, SGMR) 를 예상되는 용 이축 MR 곡선과 함께 Fig. 8 에 제시하였다 [2]. 일반적 인 형태의 GMR-SV 다층 박막의 자기 저항값은 상온에서 5%∼10% 범위로 양(positive)의 값을 유지한다.
Fig. 6, Fig. 7 그리고 Fig. 8 의 연관성을 정리하여 보면, 먼저 Fig. 6를 설명하였듯이 초전도체와 금속간의 계면에서 는 근접 효과로 인해 초전도 임계 온도의 감소를 가져온다.
Fig. 7의 그림에서 보여 주듯이 금속이 강자성체일 경우 박막내의 자구의 일축 이방성 방향과 일치한 전자스핀의
양이 더 많아져 자화 배열에 따라 임계 온도가 추가적으로 감소를 가져오게 된다. 또한 MR 정의에 따라 외부자장 의 크기 의존하는 스핀배열의 두 가지 상태인 반평행 (↑↓), 평행 (↑↑) 일 때, Fig. 7에서 언급했듯이 두 개의 임계 온도 Tc1(↑↑)와 Tc2(↑↓) 이하에서 저항값이 갑자기 영 (zero)이 된다. 식 (1) 에서 얻어지는 결과에 의하면 – 무한대 (∞) 의 MR 가능성이 있다. 따라서 외부자기장에 따라 자기 저항비를 나타내는 Fig. 8(b) 의 MR 곡선을 유추하여 그릴 수 있다.
M R(%) = R↑↓− R↑↑
R↑↑
=
{ 0−R
↑↑
R↑↑ =−1 , T < Tc2 R↑↓−0
0 =−∞ , T < Tc1
(1)
본 연구팀에서 고온 초전도체 (Y1Ba2Cu3O7−x, YBCO) 박막과 반강자성체 NiO를 기반으로 한 GMR-SV 다층 박 막으로 하이브리드 다층 박막의 자기 저항 곡선을 연구 결 과로 발표한 바 있다 [18]. 참고문헌 [18]에 의하면 YBCO 박막이 초전도체 현상을 띠는 액체질소 온도 77 K에서 자 기 저항비는 음 (negative) 의 자기 저항비 (MR (%)) 로 약 -6%를 나타내었다. 이러한 결과는반강자성체이자 부도체 역할을 하는 NiO 박막으로 전류가 누설되어 초전도 상태 로 저항값이 갑자기 0이 되어 흐르는 전류 밸브 (current valve) 스위칭 효과에 기인한다고 설명하였다. 이러한 연구 결과로부터 Nb를 사용한 GMR-SV 다층 박막은 임계 온도 근처의 저온에서 금속과 초전도체의 계면에서 일어나는 근접 효과로 인하여 초전도체의 임계 온도 값 변화에 따른 것으로 설명이 가능하며, 자기 저항비 (MR (%)) 는 -∞%가 되는 거대 자기 저항 효과 (GMR) 현상을 예상할 수 있다.
즉 임계 온도 근처에서 자기 저항을 측정할 때 강자성체의 자유층이 외부자장에 의한 자화 스핀배열의 변화에 따라 평행 상태와 반평행 상태가 분리될 때 총 잔류 자화값은 최대값과 최소값을 가지게 된다. 두 가지 상태에 의존하는 금속과 초전도체 계면 상태의 근접 효과로 인한 임계 온도의 감소는 Fig. 7에서 설명한 것과 같다.
임계 온도의 변화는 초전도 상태의 저항값이 0이 되는 경우를 나타내므로 외부자기장의 변화에 따른 자기 저항 비 (MR (%)) 는 -∞%가 되는 극한값으로 도달하게 된다.
GMR-SV 다층 박막의 중간 Cu층에서 분리된 두 강자성체 들의 스핀배열 평행과 반평행 상태에 따라 스핀의존산란 효과에 의해 발생하는 거대 자기 저항 현상이 초전도체 박막 특성과 융합되어 나타나는 무한대의 자기 저항비의 개념을 본 연구 논문에서 최초로 제시하는 결과이다. 이러한 예상은 후속 실험연구로 확인하여 연구 결과를 발표하고자 한다.
저온 초전도체와 고온 초전도체 또는 상온 초전도체가 모두 발견되어 GMR-SV형 하이브리드 다층 박막 소자를 극초 미세나노 자성 검출 센서로 개발된다면 정보통신 분야와 바이오 및 의료 분야로 크게 활용 가능하다.
IV. 결 론
이온빔 증착 시스템과 DC 마그네트론 스퍼터링 시스 템을 이용하여 코닝유리 기판 위에 버퍼층으로써 초전도 체 Nb 박막과 교환 결합력을 가지는 CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 와 거대 자기 저항 스핀밸브 NiFe (10 nm)/CoFe (4 nm)/Cu (2.5 m)/CoFe (6 nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) 다층 박막을 적층하여 시료를 제조하였다.
Nb를 buffer층으로 사용한 Nb / CoFe / IrMn / Ta 박막의 자기적 특성을 상온에서 측정한 결과 Hex와 Hc는 Nb의 두께가 증가함에 따라 감소하는 것으로 조사되었다. Nb (20 nm) 버퍼층과 계면을 이루는 GMR-SV형 하이브리드 다층 박막의 자기 저항 특성은 Hex = 185 Oe, Hc = 25 Oe, MR = 5.0%이었다.
임계 온도 (Tc) 가 10 K인 Nb 초전도체를 버퍼층으로 하여 계면을 이루는 GMR-SV형 하이브리드 다층 박막에서 강자성체 금속의 전자들과 초전도체 계면에서 준입자 쌍과 Cooper 쌍의 반사와 교환을 일어나는 것을 설명하였다.
평행 상태의 잔류 자화값 M1(↑↑)이 계면에서 근접 효과로 인해 초전도체의 임계 온도 Tc1 (↑↑) 는 단일박막의 초전 도체의 임계 온도 Tc 보다 낮게 된다. 임계 온도 근처에서 자기 저항을 측정할 때 강자성체의 자유층이 외부자기장에 의한 자화 스핀배열의 변화에 따라 잔류 자화값은 최대값과 최소값을 가지게 된다. 두 가지 상태에 의존하는 금속과 초전도체 계면 상태의 근접 효과로 인하여 초전도체의 임계 온도 값 변화에 따른 것으로 GMR-SV 다층 박막에서 고정 층과 자유층의 스핀배열이 반평형일 때 자기 저항비 (MR (%)) 는 -∞%가 되는 초거대 자기 저항 효과 (SGMR) 의 현상이 일어날 수 있음을 설명하였다. 초전도 특성을 갖는 2가지 버퍼층이 초전도체 박막과 거대 자기 저항 효과를 갖 는 GMR-SV형 하이브리 박막의 구조에서 예상되는 새로운 융합형 자기 저항 특성 소자의 개발 가능성을 제시하였다.
감사의 글
이 논문은 교육과학기술부의 재원으로 한국연구재단 (NRF) 의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 연구 (No.
NRF-2016R1D1A1B03936289) 의 결과입니다.
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