편극중성자반사를 이용한 자성박막 연구 박 성 균 중성자를 이용하여 물질의 상호작용을 연구하는 응집 물리 분야 중, 저각에서 입사한 중성자들을 박막 시료 표면에 반사 시키고, 반사된 중성자들을 반사각의 함수로 측정하면 박막 시료의 두께, 성분 (밀도 및 조성), 표면 거칠기, 계면 거칠기 등의 정보를 얻을 수 있다. 이때 입사각과 반사각이 같은 경 우를 거울 반사(specular reflection)라고 하고 입사각과 반사 각이 다른 경우를 비 거울 반사(off-specular reflection)라고 한다. 중성자를 이용한 반사율 측정은, 기존의 x선보다 투과 깊이(penetration depth)가 길기 때문에 보다 두꺼운 박막에 대해서 조사를 할 수 있다. 또한 중성자는 핵자와 상호작용을 하기 때문에 산란정도가 주기율표에 따르는 x선과 동시에 사 용함으로써 상호 보완적인 도구로 이용할 수 있다. 측정된 중성자 반사율로부터 박막 시편의 구조에 관한 정량 적인 정보를 얻는 방법은 Parratt [1] 이 1954년에 제안한 수치해 석 방법을 이용해서 박막 시편에서 각 층의 두께, 밀도, 그리고 계면의 거칠기 등을 얻는다. 단층 박막의 경우, 입사각 (혹은 입 사 파수벡터: 4 sin / )에 따른 반사된 중성자의 세기 를 나타낸 반사율 곡선으로부터 정성적인 정보도 얻을 수 있다. 먼저 전반사가 일어나는 임계각으로부터 박막의 밀도, 반사율 의 주기적인 변조 간격( )으로부터 박막의 두께 ( 2 ), 변조의 세기(modulation intensity)로부터 박막과 기 판 사이의 밀도 차의 정도, 그리고 반사율의 감쇠(attenuation) 정도로부터 계면의 거칠기 등을 알 수 있다. 다층박막의 경우 각 층의 상호작용으로 인해 단층 박막의 경우처럼 간단한 정성 적인 예측은 어려운 점이 있다. 하지만 반사율의 Fourier 변화 를 통해서 다층박막의 각 층에 대한 두께에 대한 정성적인 추측 을 할 수 있다. 박막시편이 자성체인 경우, 중성자의 스핀과 자성체 박막의 저자약력 박성균 박사는 미국 애리조나 대학교 물리학과(1995-2001)에서 초미세 자 성박막의 특성에 대한 연구로 박사 학위를 취득하였다. 그 이후로 미국 로 스알라모스 국립연구소(2001-2005), 아르곤 국립연구소(2005-2006) 등에 서 편극중성자 반사율 장치 건설 및 운영과 편극중성자를 이용한 다층 박 막의 자기적 특성 연구에 참여하였다. 2006-2008년까지는 한국기초과학 지원연구원 부산센터에서 표면 분석 관련 연구 및 지원을 수행하였으며, 2008년부터 부산대학교 물리학과에서 자성체 박막의 표면 및 계면 특성 에 관한 연구를 수행하고 있다. (psk@pusan.ac.kr) 그림 1. 편극 중성자의 스핀 상태와 자성체 박막과의 상호작용: (a) 박 막의 자기모멘트와 편극 중성자 스핀이 나란한 경우. (b) 박막의 자기 모멘트가 편극 중성자의 스핀과 90도를 이루는 경우의 개략도와 편극 중성자 반사율. 자기 모멘트와의 상호작용을 고려하면 입사된 중성자가 (+) 혹 은 (-) 스핀을 가지느냐에 따라 자성체 박막과의 상호작용 포텐 셜이 달라진다. 따라서 특정한 스핀 상태 (+ 혹은 - )의 중성자 빔을 이용하면 박막의 자기 분포에 따라 반사율이 달라지고 이 를 통해서 박막의 깊이에 따른 자기적 특성을 이해할 수 있다. 그림 1은 편극 중성자의 스핀 상태와 박막 시편의 자기 모멘트 방향을 나타내는 개략도와 편극 중성자 반사율을 나타내고 있 다. 박막 시편의 자기 모멘트의 방향과 평행(parallel)한 경우와 반 평행(antiparallel)한 경우는 그림에서 보이는 바와 같이 R ++ (편극중성자의 스핀과 외부 자기장, 그리고 박막 시편의 방향이 모두 같은 경우의 반사율)와 R -- (편극 중성자의 스핀이 외부 자기장과 반평행한 경우)의 편극 중성자 반사율을 얻을 수 있고 두 중성자 반사율의 차이는 편극 중성자 스핀에 나란한 방향 (외 부 자기장과 평행한 방향)의 자기모멘트의 절대 값을 나타낸다. (그림 1(a)) 만약 시편의 자기 모멘트의 방향이 편극 중성자 스핀 의 방향과 다른 경우 (예를 들면 시편의 자기 모멘트가 편극 중 성자 스핀과 90도를 이루는 경우: 그림 1(b)), 박막 시편의 외부 [1] L. G. Parratt, Phys. Rev. 95, 359 (1954). 물리학과 첨단기술 May 2009 13
는 수십 혹은 수백 mev 에너지를 가지고 모든 방향으로 진행 된다. 이렇게 발생된 중성자는 감속기(moderator)를 거쳐서 반 사율 측정에 필요한 에너지 (수 mev)로 낮아진다. 편극중성자 산란에 필요한 중성자의 파장은 단색광인 경우 보통 ~4 Å 정도 이고 연속적인 파장인 경우 장치의 특성에 따라 0.2~1.4 nm 정도이다. 또한 모든 방향으로 방출된 중성자들은 초격자 박막 으로 (예: Ni/Si 초격자) 구성된 가이드를 통해서 특정한 방향 으로 모을 수 있다. 이렇게 모아진 중성자들을 편극기 (polarizer)를 통과시키면 중성자의 자기 모멘트의 방향이 외부 자기장(guide field)과 평행한 중성자 빔을 얻을 수 있다. 중성 자의 스핀을 정렬시키는 편극기는 다양한 형태가 존재하지만 일반적으로 자성체와 비자성체 이종접합 (예: Fe/Si)을 통해서 만들어진 초격자 박막을 전자석 혹은 영구자석을 이용하여 포 화(saturation)시킨 편극기를 사용한다. 그림 2에서 보이는 바 와 같이 Fe/Si으로 이루어진 초격자 박막은 단일 박막보다 중 성자의 스핀 상태에 따른 임계각의 차이가 매우 크다. 따라서 편극기와 입사된 중성자 빔이 이루는 각도가 이 두 임계각 사 이에 놓이면 (+) 스핀을 가지는 중성자들은 전 반사가 일어나 고 (-) 스핀을 가지는 중성자들은 투과를 하게 되어서 특정한 스핀의 방향을 가지는 중성자들을 얻을 수 있다. 편극 중성자 장치의 주변 환경에 따라서 전반사된 편극 중성자 빔을 이용하 거나 투과된 편극 중성자들을 이용하는 장치들이 존재한다. 그림 2. Asterix (미국 로스알라모스 국립연구소 소재 편극 중성자 반사 율 장치)에 사용 중인 Fe/Si 초격자 박막으로 구성된 편극기와 Fe/Si 초 격자 박막의 편극중성자 반사율. 스핀이 (+)인 중성자를 단일 Fe 박막 에 조사한 경우의 임계각을 θ c라고 하면, Asterix 장치에 사용된 초격자 박막의 임계각은 3θ c이다. 자기장 방향의 자기모멘트는 없기 때문에 R ++ 와 R -- 편극 중 성자 반사율의 차이는 없다. 하지만 R +- 와 R -+ (편극 중성자 스핀이 박막 시편에 반사되면서 바뀌는 경우의 편극 중성자 반 사율) 반사율은 시편의 자기적 정보를 가지고 있다. 따라서 편극 중성자의 R ++, R --, R +-, R -+ 의 반사율 측정을 통해서 시편 의 벡터 자기 모멘트의 특성을 비파괴적으로 측정할 수 있다. 특 히 박막 시편의 자기 모멘트의 방향 및 크기가 박막의 깊이에 따 라 변하는 경우 편극 중성자를 이용한 반사율 측정을 통한 자성 체 박막의 특성연구는 아주 유용한 정보를 제공해 줄 수 있다. 편극중성자의 발생원리 일반적으로 중성자 빔은 모든 방향을 항하는 스핀을 가진 중 성자들을 포함하고 있다. 만일 중성자의 스핀을 같은 방향으로 정렬시키면 편극 중성자(polarized neutrons)빔을 만들 수 있 다. 원자로나 고에너지 입자 가속기를 이용하여 발생된 중성자 편극중성자 장치 구성 편극 중성자 반사율 장치를 이용한 성공적인 실험을 위해서 다음과 같은 3가지 필수적인 요건이 수반되어야 한다. 1) 중성 자를 편극(polarization)시킬 수 있어야 하고, 2) 시편에서 반사 된 중성자의 세기와 편극의 정도를 측정할 수 있어야 하고, 3) 측정된 중성자의 세기와 편극 정도를 시편 표면에 수직과 수평 방향에 대한 함수로 측정 가능해야 한다. 이 세 가지 조건을 만 족하기 위해서 편극 중성자 반사율 장치는 크게 3단계로 나눌 수 있다. 1) 편극광학계(polarizing optics), 2) 샘플 환경 그리 고 3) 해석 광학계(analyzing optics)로 구분한다. (그림 3) 편 극 광학계에는 영구자석이나 전자석에 초격자박막을 넣어서 포 화(saturation)시킨 후 특정한 각도로 중성자를 입사시키고 이 를 통해 투과 혹은 반사된 편극 중성자를 얻는 편극기, 입사된 편극 중성자의 스핀을 반전시킬 수 있는 스핀 반전기 (spin-filpper)와 중성자 빔의 분산을 줄이기 위한 슬릿 등으로 구성이 되어 있다. 대표적인 스핀 반전기는 Mezei가 고안한 스 핀 반전기를 많이 사용한다. [4] Mezei 스핀 반전기는 입사 중성 자 빔 방향에 대하여 수직한 두 개의 코일이 직교하게 구성되어 있다. 외부 (내부) 코일에 의해서 발생되는 자기장은 외부자기장 14 물리학과 첨단기술 May 2009
그림 3. 미국 오크리지 국립연구소에 설치된 편극 중성자 장치. 편극 중 성자 장치는 크게 3부분으로 나눌 수 있다. 먼저 편극 중성자를 만드는 편극 광학계(polarizing optics) 부분과 샘플 환경, 그리고 산란된 편극 중성자의 세기와 편의 정도를 측정하는 해석 광학계(analysing optics). [http://neutrons.ornl.gov/instrument_systems/images/magnet2.jpg]. (guide filed)에 나란(수직)하고 이를 통과하는 편극 중성자 빔은 코일에 의해서 발생되는 자기장의 세기와 코일을 통과하는 시간 에 따라서 편극 방향이 바뀐다. 편극 중성자 반사율 실험에서 사용되는 Mezei 스핀 반전기는 주로 180 ( )도 반전을 위해서 최적화되어 있다. 하지만 spin-echo 실험을 위해서는 /4, /2 등의 반전기도 사용된다. 편극중성자 반사율 실험에서는 장치에 편극기를 통과한 중 성자의 스핀의 반전을 막기 위해서 편극 중성자와 나란한 방 향의 외부 자기장 (~10 Oe)이 필요하다. 또한 실험에 사용되 는 대부분의 박막시료들의 박막의 자기 모멘트의 방향을 유지 하거나 바꾸기 위해서 시료 환경에 맞는 자석 (전자석 혹은 초 전도 자석)이 필요하고 온도 실험을 위해서는 저온 혹은 고온 온도 조절 장치가 필수적이다. 최근 극한 물성 연구 및 다기능 성 연구를 위해서 다양한 시료환경의 개발 및 유지는 장치의 효율성을 극대화하기 위해서 아주 중요한 시설이다. 박막시편에서 반사된 중성자 빔의 편극정도 및 세기 측정 그림 4. (a) Radio-Frequency (b) Mezei 스핀 반전기. 을 위해서는 해석기(analyzer)와 검출기가 필수적이다. 해석 기는 편극기와 동일한 박막으로 구성하면 해석기나 편극기를 통과하는 중성자 빔의 특성을 일정하게 유지해서 전반적인 장비의 효율성 향상에 도움이 된다. 또한 해석기를 사용하려 면 반드시 스핀 반전기를 사용해서 시편에서 반사된 중성자 빔의 편극 방향을 제어할 수 있어야 한다. 그림 5는 현재 가 동 중인 미국 로스알라모스 국립연구소에 설치된 편극중성자 반사율 장치(Asterix)의 도식도를 나타내고 있다. Asterix 장 치는 입사된 중성자의 파장이 0.4 nm ~ 14 nm 정도의 넓은 파장 영역을 사용하여 단색광을 이용할 때 발생하는 각 분해 능의 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다. 이렇게 넓은 파장 영 역을 이용하는 같은 시간에 도달하는 다른 파장의 중성자가 생기는 현상을 방지하기 위해서 Frame overlap mirror를 사용 하는 점은 역시 단색광을 이용한 장치와는 차별이 된다. 또한 투 과 형태로 편극기를 사용하고, Mezei 스핀 반전기 대신 Radio-Frequency 반전기를 사용함으로써 반전기를 통과하는 중성자 빔의 흡수를 줄일 수 있다. Asterix 장치의 자세한 설명 은 5와 미국 로스알라모스 국립연구소 중성자 이용시 설 [6] 에서 찾아볼 수 있다. 그림 5. 미국 로스알라모스 국립연구소에 설치된 편극중성자 반사율 장치 (LANSCE: Asterix)의 도식도. [5] 물리학과 첨단기술 May 2009 15
그림 6. 물질의 자기적 특성을 나타내는 변수들과 박막의 두께 및 중성 자 산란과의 상관관계. 편극 중성자 이용 예 편극 중성자 반사율을 이용한 자성체 박막의 연구는 박막의 자기적 특성이 박막의 깊이에 따라 변하는 경우에 아주 유용하 다. 그림 6은 자성체의 물리적 특성을 나타내는 변수와 박막 시 편의 차원 (박막의 두께, 초격자 박막의 초격자 두께 등)과 중성 자 빔을 이용하여 측정할 수 있는 차원 등의 상관관계를 나타 낸다. 편극중성자를 이용한 반사율 측정은 0.25 nm 이상의 길 이 차원을 가지는 물성 (특히 자기적 특성)을 연구하는데 적합 한 도구이다. 특히 반사율 측정은 깊이에 따른 분포를 측정할 수 있기 때문에 자기 이종 접합 시편들의 계면 및 깊이에 따른 자기적 특성을 비파괴적인 방법으로 연구하는데 적합하다. 1998년 이후 발표된 SCI 논문들 중에서 편극 중성자의 반사율 측정 결과를 이용하여 발표된 논문은 평균 25편/년 정도이고 이중에서 교환 바이어스(exchange bias) 시스템에 관한 연구가 대부분을 차지하고 있다. 교환 바이어스 시스템들은 강자성체와 반강자성체의 이종접합으로 이루어져 있고, 강자성체와 반강자 성체의 교환 상호작용(exchange coupling)에 의해 자기 이력곡 선이 대칭성을 잃고 한쪽 방향으로 이동하는 현상을 말한다. [7] 이 현상의 미시적인 메커니즘의 이해는 여전히 남아 있는 숙제 이다. 교환 바이어스 시스템은 자기 기억 매체에 많이 이용되고 나노 크기로 기억 매체의 크기가 줄어드는 경우 자기 정보가 열 적 안정성을 잃고 비자화되는 것을(superparamagnet) 막을 수 있기 때문에 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 교환 상호작용 은 계면에서 일어나기 때문에 일반적인 실험적인 방법으로 계면 의 정확한 정보를 얻기가 힘들다. M. R. Fitzsimmons et al.은 [8] Fe/MnF 2 이종 접합 교환 바이어스 시스템에 편극 중성자 반사 율 측정을 통해서 시편의 자화율이 영인 부분인 자기 이력곡선 에서 시편의 자기 모멘트의 변화가 다르다는 것을 발견하였다. 박막시편에 외부 자기장을 (+)에서 (-)로 변화시키는 경우 Fe 박막의 자기 모멘트는 회전에 의해서 방향을 바꾸고, (-)에서 (+)로 외부 자기장이 변하는 경우에는 자기 도메인 형성을 통해 그림 7. Fe/MnF 2 박막의 편극중성자 반사율 실험 결과. 외부 자기장이 (+)에서 (-)로 바뀌는 경우 Fe의 자기 모멘트는 회전에 의해서 바뀌고, (-)에서 (+)로 외부 자기장이 바뀌는 경우는 자기 도메인 형성을 통해서 바뀐다. [8] 서 박막의 자기 모멘트가 변한다는 결과를 최초로 얻었다. 교환 바이어스 시스템 이외에 편극 중성자 반사율을 이용한 자성체 박막의 연구 분야는 자성체와 비자성체 박막의 이종 접합시 계면의 상태에 의해서 비자성체 박막에 자성이 유도 되거나 (proximity effect), 자성체 박막의 자기 모멘트가 감소 하는 현상의 연구를 통해서 다양한 이종접합의 계면의 자기 특성을 연구하는 분야이다. 특히 반도체와 자성체의 이종접합 박막에 관한 연구는 새로운 스핀을 이용한 소자개발을 목적으 로 활발한 연구가 진행되고 있다. 최근 GaAs 반도체 기판에 증착된 FeCo 자성체 박막의 계면에 자기적으로 비활성된 층 이 존재함을 편극 중성자 반사율 실험과 x선 반사율 결과를 동시에 해석함으로써 정량적으로 알 수 있었다. [9,10] 최근, Chung et al. [11] 은 편극 중성자 반사율 측정을 통해서 Ga 1-xMn xas 묽은 자성 반도체 박막과 Be-doped GaAs 박막 으로 구성된 초격자 구조에서 Ga 1-xMn xas 박막들이 Be이 첨가 [2] F. Mezei, Comm. on Phys. 1, 81 (1976). [3] F. Mezei and P. A. Dagleish, Comm. on Phys. 2, 41 (1977). [4] F. Mezei, Z. Phys. 255, 146 (1972). [5] M. R. Fitzsimmons and C. F. Majkrzak, in Modern Techniques for Characterizing Magnetic Materials, edited by Y. Zhu Kluwer (Boston, 2005), Chap. 3. [6] http://lansce.lanl.gov/. [7] J. Nogues and I. Schuller, J. Magn. Magn. Mater. 192, 203 (1999). [8] M. R. Fitzsimmons et al., Phys. Rev. Lett. 84, 3986 (2000). [9] S. Park, M. R. Fitzsimmons, X. Y. Dong, B. D Schultz and C. J. Plamstrom, Phys. Rev. B 70 104406 (2004). [10] S. Park, M. R. Fitzsimmons, C. F. Majkrzak, B. D Schultz and C. J. Plamstrom, J. Appl. Phys. 104, 083905 (2008). [11] J. H. Chung, S. J. Chung, Sanghoon Lee, B. J. Kirby, J. A. Borchers, Y. J. Cho, X. Liu and J. K. Furdyna, Phys. Rev. Lett. 101, 237202 (2008). 16 물리학과 첨단기술 May 2009
표 1. 전 세계 설치되어 운용하고 있거나 설치예정인 편극중성자 반사율 장 치 목록.[http://material.fysik.uu.se/Group_members/adrian/reflect.htm]. Facility Country Instrument Geom. T-o-F ANSTO, Bragg Australia Platypus Institute BENSC Germany V6 Reflectometer Horizontal No BENSC Germany V14 Reflectometer Vertical No BRR, KFKI Hungary PRFM Vertical No Chalk River Canada C5 Vertical No Chalk River Canada D3 - under Vertical No Demokritos Greece Reflectometer - under Vertical Yes Bhaba (BARC) India PNR Vertical No Germany MARIA - under Vertical No Germany N-REX Horizontal No Germany REFSANS Germany TREFF Vertical No FZ Jülich Germany HADAS Vertical No GKSS Germany NeRo Vertical No GKSS Germany PNR Vertical No GKSS Germany TOREMA Vertical No HANARO South Korea Reflectometer Vertical No ILL France ADAM Vertical No ILL France D17 Vertical Yes ILL France EVA Vertical No IRI Delft Netherlands ROG ISIS U.K. CRISP ISIS U.K. PolRef - Under ISIS U.K. OffSpec - Under JINR, Dubna Russia REFLEX-P Yes JINR, Dubna Russia SPN Vertical Yes J-PARC Japan BL16 - under KEK, KENS Japan Pore Vertical Yes LANSCE U.S.A. ASTERIX Vertical Yes LLB France PRISM Vertical No MURR U.S.A. Reflectometer NIST U.S.A. AND/R Vertical No NIST U.S.A. NG1 Reflectometer Vertical No ORNL-SNS U.S.A. Magnetism Reflectometer Vertical Yes PIK, PNPI Russia REVERAN (Project) Horizontal SINQ, PSI Switzerland AMOR SINQ, PSI Switzerland Morpheus Vertical No 된 GaAs를 통해서 반강자성 교환상호작용을 함을 발견하였다. 최근 산화물의 다기능성을 이용한 다양한 소자개발을 목적 으로 산화물 박막에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 증착기 술의 발달로 인해서 양질의 얇은 산화물 박막의 성장이 가능 해짐에 따라, 이종접합 산화물의 계면에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 대부분의 물리적 특성에 관한 실험은 박막 시편 전체를 측정하기 때문에 계면의 특성만을 분리해 내기 어렵다. 편극 중성자 반사율을 이용하면 계면의 자기적 특성을 비파괴적으로 알 수 있다는 장점이 있다. [12] 편극 중성자 연구시설 현황 전 세계적으로 중성자 산란 이용시설은 연구용 원자로를 이용 하여 진행되고 있다. 국제적으로, 양성자 가속기를 이용한 파쇄 중성자 선원(spallation source) 시설 미국 로스알라모스 국립연 구소(LANSCE)와 오크리지 국립연구소(ORNL-SNS), 영국의 ISIS와 일본의 J-PARC (건설 중) 시설이 있다. 편극 중성자를 이용한 반사율 이용 장치는 2008년 현재 15개국 30개의 장치가 운용 중이고 7개의 장비가 건설 중이다. 가장 많은 편극 중성자 반사율 장치를 보유하고 있는 나라는 독일로 현재 9개의 장치가 가동 중이고 1개가 건설 중에 있다. 표 1은 현재 운용되고 있거나, 설치예정인 편극 중성자 반사율 장치들을 나타내고 있다. 국내에 서는 하나로 연구용 원자로 시설에서 열중성자를 이용한 편극 중 성자 반사율 장치가 개발되어 가동 중이고 냉 중성자 시설이 완공 되는 2009년부터 본격적으로 외부 지원에 활용할 수 있다. 맺는 말 편극중성자를 이용한 반사율 측정은 깊이에 따른 물질의 자기적 특성을 비파괴적이고, 정량적으로 얻을 수 있는 실험 방법이다. 현재 국내에서도 편극중성자 장치의 개발이 거의 마무리 단계이고, 하나로 연구용 원자로에서 발생되는 편극중 성자를 이용하여 다양한 자성체 박막의 표면 및 계면 특성 연구를 통해 기초 과학 및 산업 기술의 발전에 일조하기 위 해 노력하고 있다. 아직까지 우리나라의 편극 중성자 반사율 을 이용한 연구 인프라는 선진국에 비해 많이 부족하지만 하 나로의 냉 중성자 시설로 옮겨지는 편극중성자 반사율 장치 가 완공되는 시점으로부터 이 장치를 이용한 연구가 활성화 되고 우수한 연구 성과를 얻을 수 있기를 기대한다. 이를 위 해서 하나로 이용자 시설에 관한 지속적인 관심이 필요하다. [12] F. Ott, J. Phys. Condens. Mater. 20, 264009 (2008). 물리학과 첨단기술 May 2009 17