연구논문 Journal of the Korean Magnetics Society 27(5), 163-167 (2017) ISSN (Print) 1598-5385 ISSN (Online) 2233-6648 https://doi.org/10.4283/jkms.2017.27.5.163 Experimental Scheme based on Magnto-Optical Kerr Effect Microscope for Measurement of Dzyaloshinskii-Moriya Interaction Dae-Yun Kim 1, Duck-Ho Kim 1,2, Min-Ho Park 1, and Sug-Bong Choe 1 * 1 Department of Physics and Astronomy, Seoul National University, Seoul 08826, Korea 2 Present address: Institute for Chemical Research, Kyoto University, Kyoto, Japan (Received 15 September 2017, Received in final form 16 October 2017, Accepted 16 October 2017) We report here an experimental scheme based on a magneto-optical Kerr effect microscope to measure asymmetric domain-wall (DW) speed induced by Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction. In this scheme, the possible artifacts caused by the in- and out-ofplane electromagnets are analyzed and carefully removed. The present scheme is then applied to measure the asymmetric DW speed of two different Pt/Co/Pt magnetic films with different magnetic layer thicknesses. In thinner magnetic film, the DW speed is well characterized by the DW energy variation model, enabling us to determine the magnitude of the effective in-plane magnetic field induced by the DM interaction. On the other hand, in the thicker film, the DW speed shows additional asymmetry, which is possibly caused by the variation of physical parameters other than the DW energy. Keywords : magneto-optical Kerr effect, magnetic domain-wall, Dzyaloshinskii-Moriya interaction 쟐로신스키 - 모리야상호작용측정을위한광자기커르효과현미경측정법개발 김대연 1 김덕호 1,2 박민호 1 최석봉 1 * 1 서울대학교물리천문학부, 서울시관악구관악로 1 08826, 2 현재주소 : Institute for Chemical Research, Kyoto University, 교토, 일본 (2017 년 9 월 15 일받음, 2017 년 10 월 16 일최종수정본받음, 2017 년 10 월 16 일게재확정 ) 쟐로신스키-모리야상호작용에의한비대칭자구벽속도측정을위한광자기커르효과현미경측정법을개발하였다. 이측정법에서는수평및수직전자석에서발생하는오류를분석하고제거하였다. 이측정법을적용하여자성층의두께가다른두가지 Pt/Co/Pt 자성박막의쟐로신스키-모리야상호작용을측정하였다. 얇은자성층두께의박막에서는자구벽속도가기존자구벽에너지변화모델로잘설명되었으며, 이를통하여쟐로신스키-모리야상호작용에의한유효자기장을측정할수있었다. 반면, 두꺼운두께의박막에서는, 자구벽에너지이외의다른물리량변화에의한추가적인비대칭성을관찰하였다. 주제어 : 광자기커르효과, 자구벽, 드쟐로신스키-모리야상호작용 I. 서론 쟐로신스키-모리야 (Dzyaloshinskii-Moriya, DM) 상호작용은, 하이젠베르크 (Heisenberg) 교환상호작용과더불어, 인접한자기모멘트사이에작용하는근본적인교환상호작용중하나이다 [1]. 최근 DM 상호작용이전류에의해구동되는자구벽속도를획기적으로증가시킬수있고, 자성스컬미온 (skyrmion) 구조를형성하는데중요한역할을한다는것 The Korean Magnetics Society. All rights reserved. *Corresponding author: Tel: +82-2-884-9254, Fax: +82-2-884-9254, e-mail: sugbong@snu.ac.kr 이밝혀졌다 [2, 3]. 따라서 DM 상호작용에대한연구가학계에서활발히진행되고있다. 현재까지다양한방법으로 DM 상호작용의크기를측정하는기술이개발되었으며, 대표적으로는비대칭자구벽속도측정법 [4], 스핀-궤도돌림힘 (spin-orbit torque) 측정법 [5], 비대칭자화곡선 (hysteresis loop) 측정법 [6], 그리고브릴루앙산란 (Brillouin light scattering) 측정법 [7] 등이있다. 이러한다양한측정법들중가장많이사용되는방법중하나는비대칭자구벽속도측정법인데, 이는추가적인마이크로소자공정이없이박막상태에서측정이가능하며, 또한측정장비구성과작동이간단하기때문이다 [4]. 비대칭자구벽속도측정법은 DM 상호 163
164 쟐로신스키 - 모리야상호작용측정을위한광자기커르효과현미경측정법개발 김대연 김덕호 박민호 최석봉 작용이만들어내는유효자기장 H DMI [8] 를측정하는일종의간접측정방법이라고할수있다. 본연구에서는비대칭자구벽속도측정과정에서발생할수있는실험적오류를분석하고제거하는방법을개발하였으며, 이를통해 Pt/Co/Pt 구조의자성박막의 DM 상호작용측정법을개발하였다. II. 실험방법 1. 광자기커르효과현미경시스템구축광자기커르효과 (Magneto-Optical Kerr Effect, MOKE) 현미경은일반적으로사용되는광학현미경을기반으로 Fig. 1과같이제작되었다. 실험에사용된광학현미경 (Axiotech vario, Carl Zeiss) 은수직방향으로이동할수있는거리가 길어서, 부피가큰전자석장착이용이하다. 다양한크기의자구벽및구조물관측이가능하도록몇가지다른배율 ( 2.5, 20, 50, 그리고 100) 의대물렌즈가장착되었다. 대물렌즈는편광관찰이가능한제품으로선정되었다. 접안렌즈로 10배배율의렌즈가사용되었다. 작은광자기커르효과를관측할수있도록, 100 W 전력의수은등 (HBO 100 illuminating system, Carl Zeiss) 을광원으로사용하였다. 이수은등은대략 365와 436 nm의파장에서최대출력을발생시킨다. 실험에사용된 CCD 카메라 (SHC-745, Samsung Techwin) 는낮은조도의영상촬영이가능한모델로선정되었으며, 일반적으로사용되는시간분해능 (video rate, ~33 ms) 과영상크기 (VGA, 640 480) 를제공한다. CCD 카메라에서촬영된영상신호는영상변환기 (AccuStream 205a, Foresight Imaging) 를통해컴퓨터로전송된다. Fig. 1. (Color online) Schematic diagram of the MOKE microscope and its beam path. 2. 전자석설치, 정렬, 및보정시료에자기장을인가하기위하여, 2축의전자석이장착되었다. x축과 z축전자석모두자체제작되었으며, [Fig. 2(a)] 와같이위치시켰다. 전류인가에의해발생하는열을냉각시키기위하여, 전자석몸체는열전도율이높은비자성물질인구리로구성하였고, 수냉식구조로제작되었다. 전자석코일에의해발생하는자기장을증폭시키기위해열처리된철심을 x축전자석중앙에삽입하였다. z축전자석의철심은필요에따라탈착이가능하도록설계하였다. 양극성전원공급기가각각의 x축과 z축전자석에전류를공급한다. 실험에사용된전원공급기 (BOP 50-4M, Kepco) 는최대 50 V의전압과최대 4A의전류의출력이가능하며, 이전압과전류비에맞추어전자석코일의저항을대략 12 Ω으로설계하였다. 전류인가에따른온도증가에의해저항이증가하는효과에대비하여, 코일의저항은최대전압과전류비보다조금작게선정되었다. 이러한전자석을이용하여, z축방향으로최대 35 mt(z축전자석의철심이있는경우 ) 와 x축방향으로최대 200 mt의자기장을시료에인가할수있도록하였다. 자구벽속도의 H x 의존성측정실험을위해서, H x 와 H z 를동시에걸어주어야한다. 이경우, 이두전자석의정렬상태에따라서오류가발생할수있으므로, 세심하게보정해주는작업이필요하다. 대부분의오류는 x축전자석에서발생하는자기장과시료표면이평행하게정렬되지않는경우에발생한다. 이러한현상은기계적유격에의한 x축전자석의정렬오류와시료를시료대에올려놓을때발생하는미세한기울어짐등에의해발생한다. 일반적인자구벽속도의 H x 의존성측정실험에서는, H x 를수백 mt까지인가하는반면에, H z 는수 mt 정도인가하는경우가많다. 이경우, x축전자석이 1 o 미만의작은정렬오류를가지고있는경우라도, 이
연구논문 Journal of the Korean Magnetics Society Vol. 27, No. 5, October 2017 165 Fig. 3. (Color online) Two-dimensional map of H z as a function of I x and I z. The color represents the magnitude of H z, of which scale is represented on the right panel. Fig. 2. (Color online) (a) Schematic diagram of the electromagnets setup. The z-electromagnet is aligned to the illumination beam path along the z axis. The x-electromagnet is aligned to the focal plane. (b) Plot of v DW as a function of H z measured under constant magnetic field, + H x (blue symbol) and H x (red symbol). The open symbols represent the data for ± H x after shifting along the abscissa by + δh z, respectively. (c) Plot of δh z with respect to H x. The solid line represents the best linear proportional fitting with the fixed zerointercept. 정렬오류에의해발생하는 z 축방향의자기장의크기는 H z 에비해무시하지못할정도로큰값을갖게된다. 따라서, 가우스미터를이용한자기장정밀측정을통해, x축전자석을최대한정렬하는과정이수행하였고, 정렬오류를약 0.5 o 미만으로제거하였다. 그러나이와같이기계적인방식으로이러한정렬오류를완벽하게제거할수는없고또한시료를바꾸는과정에서항상새로운정렬오류가발생할수있기때문에, 아래와같이추가적인보정작업방법을개발하였다. 특정크기의 +H x 또는 H x 를각각 up 자구와 down 자구에일정하게인가한 상황에서, H z 의크기를바꾸면서각각의자구벽속도를측정하면, [Fig. 2(b)] 와같은결과를얻을수있다. + H x 또는 H x 의부호에따라, 각각의자구벽속도는서로같은변화형태를가지지만, 서로가서로에대해 H z 축상에서평행이동을한모습을보인다. 이러한평행이동의원인은 x축전자석의정렬오류에의해발생한 z축방향의자기장성분으로파악된다. 따라서, 이러한평행이동의크기를측정함으로써, x축전자석의정렬오류에의해발생하는 z축방향의자기장성분의세기 δh z 를구할수있다. [Fig. 2(c)] 는 δh z 를 H x 를바꾸어가며측정한결과를보여준다. 그림에서관찰된 δh z 와 H x 의정비례관계로부터, δh z 가주로 x축전자석의정렬오류로부터발생하였다는검증할수있다. 따라서, 이와같은방법으로 δh z 를구하고, δh z H x 의관계를이용하여, 각각의 H x 에대해 δh z 를상쇄되도록 z축전자석에서발생하는자기장을보정함으로써, 최종적으로대부분의오류를제거하는데성공하였다. z축전자석의철심을시료에가까이부착하는경우, H x 의영향을받아 z축철심에원치않는유도자화가발생한다. 따라서, H x 와 H z 를동시에걸어주어야하는실험에서는 z축전자석의철심을제거하고실험하는것이이러한오류를방지하는데에유리하다. 본연구의측정은 z축전자석의철심을제거한상태에서수행되었다. 그러나 z축전자석의철심이없는경우에는최대인가자기장의세기가제한된다. 따라서, x축과 z축에모두강한자기장을필요로하는실험에서는, z축전자석의철심을설치한상태에서, 실제발생하는자기장 H z (I x, I z ) 를 I x 와 I z 에대한 2차원함수의형태로모두측정하고, 이를실험결과에사용하도록하였다. 여기서, I x 와 I z 는 x축과 z축전자석에각각흘려준전류의세기를나타내며, 측정결과는 [Fig. 3] 에정리되었다.
166 쟐로신스키 - 모리야상호작용측정을위한광자기커르효과현미경측정법개발 김대연 김덕호 박민호 최석봉 Fig. 4. Normalized image of circular magnetic domains captured by CCD camera. III. 실험결과및고찰 H DMI 측정실험을위해, 5.0-nm Ta/2.0-nm Pt/x-nm Co/ 1.5-nm Pt(x = 0.3, 0.9) 다층자성박막을직류스퍼터링장비를이용하여 Si/SiO 2 기판위에증착하였다. 두구조의자성박막모두강한수직자기이방성을가지고있다. 이박막에외부자기장을인가하면, [Fig. 4] 과같이깨끗한원형형태로자구가확장하는형상이관찰된다. 첫번째시료 (t Co =0.3nm) 의자구벽속도 v DW 를 H x 의세기를바꾸어가며측정한결과를 [Fig. 5(a)] 에정리하였다. 그림에표시된파랑색점선에대하여자구벽의속도가대칭적인형태가관찰된다. 이러한대칭적인형태는자구벽에너지밀도의변화에의해발생하며, 대칭축의값은 DM 상호작용에의해결정된다고알려져있다 [4]. [Fig. 5(b)] 와같이자구벽이주어졌을때, 수직자기이방성을가지는자성박막에서 DM 상호작용은 x축에평행한방향의유효자기장 H DMI 을만든다. 이러한자구벽에 x축방향외부수평자기장 H x 을인가하게되면, 자구벽에너지밀도 σ DW 는 σ DW = σ 0 +2K D λcos 2 ψ πλm S (H DMI + H x )cosψ로주어진다 [4, 8]. 여기서 σ 0 는블로흐 (Bloch) 타입자구벽의에너지밀도, K D 는자구벽의형상이방성에너지, λ는자구벽두께, M S 는포화자화량, 그리고 ψ는자구내부의자화각도이다. 에너지최소화조건 ( σ DW / ψ =0) 을통해, 에너지가최소화되는평형상태에서의 ψ를구할수있으며, 이를통하여평형상태의 σ DW 를 H x 에대한함수로얻을수있다. [Fig. 5(c)] 는 H x 의크기에따른 σ DW 의값을계산한결과의개형을보여준다. 이계산에서는첫번째시료에서측정된자기적성질값들이사용되었다. 그림으로부터 σ DW 는 H x = H DMI 축에대하여대칭적변화를보임을알수있다. 이때, 자구벽기어 Fig. 5. (Color online) (a) Plot of v DW as a function of H x under a constant H z = 8 mt for Sample I. The blue vertical line indicates H x = H DMI. (b) Schematic diagram of the domain-wall configuration between up and down magnetic domains. The blue and red arrow represents the direction of H DMI and M, respectively. Plots of calculated σ DW (c) and v DW (d) as a function of H x. 가기 (creep) 영역에서자구벽의속도 v DW 는자구벽에너지밀도 σ DW 에대해, ln(v DW ) (σ DW ) 1/4 의관계가있다고알려져있으므로 [4], 자구벽속도역시 [Fig. 5(d)] 와같이 H x = H DMI 축에대하여대칭적변화를보인다. 따라서, 자구벽의속도를
연구논문 Journal of the Korean Magnetics Society Vol. 27, No. 5, October 2017 167 석되었다. 이를바탕으로 DM 상호작용이발생시키는유효자기장을정량적으로측정하였다. 이와대조적으로, 두꺼운자성층두께 (0.9 nm) 의자성박막에서는, 추가적인비대칭성이발견되었고, 이는수평자기장을인가함에따라서자구벽에너지와더불어다른물리량들이함께변하는것으로판단된다. 감사의글 Fig. 6. (Color online) Plot of v DW as a function of H x under a constant H z = 11 mt for Sample II. 측정하고, 그변화의대칭축을측정함으로써, H DMI 값을정량적으로구할수있다. 관찰된대칭축으로부터 H DMI 는약 23±3mT로측정되었으며, 기존에보고된값들과비슷한크기를보인다. 이시료의구조가대칭적임에도 0이아닌 H DMI 값을보이는이유는, Pt/Co 계면과 Co/Pt 계면이서로다른특성을갖기때문으로판단된다. 두계면이서로다른특성을갖는것은, 각각의계면이형성될때원자량이크게차이가나는 Pt와 Co 원자가증착되는순서가다르기때문에, 이후에쌓이는원자의기존층으로의침투정도가다르기때문일것으로판단된다. [Fig. 6] 는두번째시료 (t Co =0.9nm) 의자구벽속도 v DW 를 H x 의세기를바꾸어가며측정한결과를보여준다. 첫번째시료와달리, 두번째시료는대칭적인형태를보이지않으며, 따라서자구벽에너지모델로설명될수없다. 이는인가한 H x 의세기에따라자구벽에너지뿐만아니라, 또다른물리량이변하기때문으로판단된다. 최근이에대한연구가세계적으로여러그룹에의해서활발하게진행되어오고있는상황이며, 다양한가설과모델이제시되었지만아직정확한원인은밝혀지지않은상태이다 [9-15]. 이러한비대칭적인형태에도불구하고, 포화자화값을이용한추가적인보정을통해, H DMI 를추산하는실험방법이최근보고되기도하였다 [15]. IV. 결 2축전자석시스템의정렬오류를분석하고이에따른자기장을보정하는실험적방법을개발하였다. 이방법을적용하여, Pt/Co/Pt 자성박막의비대칭자구벽속도변화를성공적으로측정하였다. 얇은자성층두께 (0.3 nm) 의자성박막에서는, 자구벽속도변화가자구벽에너지변화모델로잘해 론 이논문은정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No. 2015R1A2A1A05001698, 2015M3D1A1070465). References [1] I. Dzyaloshinsky, J. Phys. Chem. Solids 4, 241 (1958). [2] S. Emori, U. Bauer, S.-M. Ahn, E. Martinez, and G. S. D. Beach, Nat. Mater. 12, 611 (2013). [3] A. Fert, V. Cros, and J. Sampaio, Nat. Nanotechnol. 8, 152 (2013). [4] S.-G. Je, D.-H. Kim, S.-C. Yoo, B.-C. Min, K.-J. Lee, and S.-B. Choe, Phys. Rev. B 88, 214401 (2013). [5] K.-S. Ryu, L. Thomas, S.-H. Yang, and S. Parkin, Nat. Nanotech. 8, 527 (2013). [6] D.-S. Han, N.-H. Kim, J.-S. Kim, Y. Yin, J.-W. Koo, J. Cho, S. Lee, M. Klaui, H. J. M. Swagten, B. Koopmans, and C.-Y. You, Nano Lett. 16, 4438 (2016). [7] J. Cho, N.-H. Kim, S. Lee, J.-S. Kim, R. Lavrijsen, A. Solignac, Y. Yin, D.-S. Han, N. J. J. van Hoof, H. J. M. Swagten, B. Koopmans, and C.-Y. You, Nat. Commun. 6, 7635 (2015). [8] A. Thiaville, S. Rohart, E. Jué, V. Cros, and A. Fert, Europhys. Lett. 100, 57002 (2012). [9] R. Lavrijsen, D. M. F. Hartmann, A. van den Brink, Y. Yin, B. Barcones, R. A. Duine, M. A. Verheijen, H. J. M. Swagten, and B. Koopmans, Phys. Rev. B 91, 104414 (2015). [10] E. Jué, C. K. Safeer, M. Drouard, A. Lopez, P. Balint, L. Buda- Prejbeanu, O. Boulle, S. Auffret, A. Schuhl, A. Manchon, I. M. Miron, and G. Gaudin, Nat. Mater. 15, 272 (2016). [11] C. A. Akosa, I. M. Miron, G. Gaudin, and A. Manchon, Phys. Rev. B 93, 214419 (2016). [12] D.-Y. Kim, D.-H. Kim, and S.-B. Choe, Appl. Phys. Express 9, 053001 (2016). [13] D. Lau, V. Sundar, J.-G. Zhu, and V. Sokalski, Phys. Rev. B 94, 060401(R) (2016). [14] D.-H. Kim, S.-C. Yoo, D.-Y. Kim, B.-C. Min, and S.-B. Choe, arxiv:1608.01762 (2016). [15] D.-Y. Kim, M.-H. Park, Y.-K. Park, J.-S. Kim, Y.-S. Nam, H.-C. Choi, D.-H. Kim, S.-G. Je, B.-C. Min, and S.-B. Choe, arxiv:1704.08751 (2017).