2차원 자성박막에서의 광자성 효과 및 자구 구조에 관한 연구

Abstract

2차원 자성박막에서의 광자성 및 자구 구조는 정보화 사회에서 요구하는 대용량, 고밀도 및 초고속화에 대한 제어라는 응용성과 함께 학문적인 측면에서 중요한 연구 분야이다. 광학과 자성은 각각 정보화 기술의 근간을 이루는 요소로 최근에는 광자성 물질 및 이를 이용한 다양한 혼성구조를 통해 신기능성 광자성 소자 및 자기 저장 매체에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 논문에서는 대표적인 신개념 강자성 시스템인 스핀 광자결정에서의 향상된 광자성 효과와 수평자성 MnAs/GaAs(001)박막의 자구 구조를 연구하였다. Co₂MnSi 비정질 박막에 펨토초 레이저 펄스를 이용한 두 빛 간섭으로 원하는 미소영역만 선택적으로 조사하여 결정화시키는 매우 간단한 방법으로 1차원 스핀 광자결정을 제조하였다. 0차의 투과된 광과 1차의 회절광에 대한 광자성 효과를 측정한 결과, 1차 회절된 광에서의 광자성 효과가 0차의 투과된 빛에 비해 크게 향상된 광자성 효과를 나타냄을 관찰하였다. 추가로 이와 같이 제조된 1차원 스핀 광자결정에서 1차 회절광이 18배나 향상된 Kerr 회전을 보이는 것을 관측하였다. 이러한 증가는 격자의 깊이와 매우 관계가 있음을 실험적 및 이론적으로 규명하였다. Ni 1차원 스핀 광자결정에서 2차의 회절광이 3배 향상된 Kerr 회전을 보이는 것을 관측하였고, 이에 대한 이론 계산을 통해 향상된 광자성 효과가 격자구조의 깊이와 강하게 연관 되어 있음을 이해하였다. 더불어, Co 2차원 자성 주기 구조를 KrF 레이저를 이용한 노광공정과 습식 에칭공정을 이용해 제작하였고, 자구탐침현미경과 광자기 효과를 이용하여 외부자장 변화에 대한 자구 구조 및 자구 동역학을 연구 하였다. GaAs(001) 기판위에 증착된 MnAs박막에서의 자구 구조 및 자구 동역학도 연구하였다. MnAs박막의 두께가 감소함에 따라 강자성 a-MnAs띠 내의 자구 구조가 head-on 자구 구조에서 simple 자구 구조로 변함을 관측하였다. 이는 두께에 따라 강자성 띠들의 demagnetizing factor들이 변하기 때문이었다.; Study on the magneto-optical (MO) effects and the magnetic-domain structures in two-dimensional ferromagnetic thin films is a challenging issue to information technology, which requires the solutions for heavy traffic of communications, high-density storage and high-speed computing. Photonics and magnetism are essential elements in the present information technology. Recent advances in the fabrication of MO materials and their integration onto various platforms continue to open up new avenues for the development of integrated magneto-photonic devices and magnetic recording media. I have investigated the MO effect and the magnetic-domain structure in new-concept ferromagnetic systems such as the magnetic photonic crystasls (MPCs) with enhanced MO effect and MnAs/GaAs(001) with in-plane magnetic anisotropy. In this study, I have successfully fabricated one-dimensional (1-D) MPCs by using a selective-area annealing of as-deposited Co₂MnSi films and observed a large enhancement of the Faraday-like rotation of the first-order diffracted beam compared to the zeroth-order (undiffracted) one. In addition, it has also been observed a giant enhancement (~30 times) of the Kerr rotation of the first-order diffracted beam in the magnetic grating. It is shown that both experimentally and theoretically the enhancement strongly depends on the groove depth. I also report the results of a joint experimental and theoretical investigation focused on the MO properties of 1-D magnetic-grating structure of Ni film. Interestingly, it is found that the longitudinal Kerr rotation of the second-order diffracted beam is nearly 3 times larger than that of the zeroth-order one. The calculation further confirmed the experimental results. The theoretical study suggests that the MO enhancement strongly depends on the depth of grating (or groove). I have successfully fabricated 2-D patterned arrays of Co magnetic structures using the photolithography with a KrF laser source and the wet-etching process. The spin configuration have been observed by means of magnetic force microscopy (MFM) and magneto-optical Kerr effect (MOKE). The change in the in-plane magnetic reversal process could be understood through a detailed investigation on the field-dependent domain structure using MFM and MOKE. The magnetic-domain structure in the MnAs films on GaAs(001) was also studied. Interestingly, as the film thickness decreases the domain structure within the ferromagnetic α-MnAs stripes changes from a head-on domain structure to a simple 180° one around a thickness of 250-nm. As temperature increases, the in-plane uniaxial magnetic anisotropy along the MnAs[1120] direction changes and then disappears. Direct microscopic domain observations show that the type of domain structure changes from a simple domain to a closure one with increasing temperature. From these results, the temperature-dependent change of the in-plane magnetic anisotropy is ascribed to a decrease in the shape anisotropy induced by the decrease in the width of the ferromagnetic α-stripe.