Magnetic and structural features of Co-based multilayer frameworks and related synthetic antiferromagnetic coupling frames

Abstract

This doctoral dissertation describes an experimental study on development and optimization of Co-based multilayer structures and related synthetic antiferromagnetic structure with adjacent CoFeB reference layer. In the first place, the structure and magnetic properties of a Co/Pt multilayer matrix was investigated. Increasing Pt thickness allows for the formation of fcc (111) CoPt3 structure in a Co/Pt multilayer geometry, as confirmed by the c/a lattice constant ratio of 0.949. The increase in the out-of-plane saturation magnetization value with increasing Pt thickness seems to originate from the enhanced perpendicular orbital moment of the proper CoPt3 structure. Secondly, the influence of inserted oxygen atoms on the structural and magnetic properties of a Co/Pt multilayer matrix was presented. Experimental analysis suggests that the addition of a small amount of oxygen atoms into the Co/Pt multilayer matrix leads to a high coercive field and proper magnetization performance, together with high thermal stability. Thirdly, the perpendicular magnetic anisotropy features of a hybrid [CoO/Pd]2/[Co/Pd]7 multilayer matrix with the [CoO/Pd]2 insertion layer was evaluated. Annealing allowed for the diffusion of oxygen atoms existing in the inserted [CoO/Pd]2 layer, leading to an atomic structural reconfiguration event. The hybrid matrix was crucial to result in a higher effective anisotropy energy than an ordinary [Co/Pd]7 multilayer matrix under annealing at 450 °C. X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the presence of Co-O bonding states and annealing dependent oxygen atom diffusion. Lastly, the thermally robust characteristics of Co/Pd multilayer-based synthetic antiferromagnetic structure was addressed by controlling a W layer as a potential buffer or capping layer. The W-capped Co/Pd multilayer-based synthetic antiferromagnetic structure exhibited a wide-range plateau with sharp spin-flip and near-zero remanence at the zero field. Structural analysis of the W-capped multilayer-based synthetic antiferromagnetic structure pinning layer exhibited single-crystal-like c-axis oriented crystalline features. In addition, when the W layer serving as a buffer layer for a conventional CoFeB reference layer, higher annealing stability up to 425 °C and prominent antiferromagnetic coupling behavior were obtained.|본 연구에서는 코발트 기반 다층구조의 수직자기이방성 특성의 최적화와 이를 이용한 인위적 반강자성 결합 구조를 연구하였으며, CoFeB 기준층과의 접합에서 자기적 동작 특성을 확인하였다.

첫 번째로, Pt 층의 두께 변화에 따른 Co/Pt 다층구조의 자기적/구조적 특성에 대하여 확인하였다. Co/Pt 다층구조 내부의 Pt 층의 두께가 증가함에 따라 (111) 방향 면심입방구조를 가지는 CoPt3 결정구조가 형성됨을 확인하였다. 격자상수비 c/a 는 X선 회절분석과 고분해능 투과전자현미경 측정을 통해 0.949 로 계산되어, 앞서 말한 결정구조에 들어맞음을 확인하였다. 진동 시료 자력계를 이용하여 측정한 자기이력곡선에서 포화자화값을 계산한 결과, Pt 층의 두께 증가에 따른 수평 포화자화값은 수직 포화자화값과 반대의 양상을 보이는 것을 확인하였다. Pt 층의 두께 증가에 따른 수직자기 포화자화값의 증가는, CoPt3 결정구조 형성에 의한 수직 방향 전자 궤도 능률 증가에 의한 것으로 추정된다. 두 번째로, Co/Pt 다층구조에서의 산화 결합에 의한 자기적/구조적 특성 변화를 관찰하였다. 강자성체-산화물 접합에서의 전자 궤도 상호 작용에 의한 계면 수직자기이방성 특성을 확인하였다. 본 연구에서 Co/Pt 다층구조 하부에 형성한 CoO/Pt 하지층에 의해 보자력이 증가하였으며, 열처리 안정성이 뛰어남이 확인되었다. 세 번째로, 동종 물질 산화 결합에 의한 이종 구조에서의 자기적/구조적 특성을 관찰하였다. Co/Pd 다층구조의 하부에 인위적으로 극미량의 산소를 결합한 CoO/Pd 하지층을 형성한 후, 자기장이 인가된 열처리를 진행하여 산소 원자의 확산을 유도하였다. 열처리가 진행된 후, 구조적 특성이 매우 뛰어남과, c-축 배향성이 크게 증가한 것이 X-선 회절분석을 통해 확인되었다. 진동 시료 자력계를 통한 자기이력곡선의 측정 결과, CoO/Pd 하지층을 포함하지 않는 순수 Co/Pd 구조에 비하여 포화자화값을 비롯한 수직자기이방성 상수가 크게 증가하였음을 확인하였다. X-선 광전자 분광법을 이용하여 코발트와 산소의 결합상태를 조사한 결과, 열처리에 의하여 산소 원자가 확산된 후, 다층구조 외부로 빠져나갔음이 확인되었다. 마지막으로, Co/Pd 다층구조를 이용한 인위적 반강자성 결합구조에 대한 연구를 진행하였다. 인위적 반강자성 구조와 CoFeB 기록층 간의 구조적 불균일성과 상호 확산을 방지하기 위해 W 삽입층이 연구되었다. W 층을 상지층으로 사용한 인위적 반강자성 구조의 경우, 여타 물질을 사용한 경우에 비하여 높은 열처리 안정성을 나타내었다. 고분해능 투과 전자 현미경을 통한 구조 분석 결과, 고온 열처리 후에도 c-축 배향성을 유지하였으며, 물질 확산에 의한 다층구조 파괴가 방지되었다. W 삽입층을 이용한 인위적 반강자성 구조-CoFeB 기록층 구조 역시 뛰어난 열처리 안정성을 나타내었다.; This doctoral dissertation describes an experimental study on development and optimization of Co-based multilayer structures and related synthetic antiferromagnetic structure with adjacent CoFeB reference layer. In the first place, the structure and magnetic properties of a Co/Pt multilayer matrix was investigated. Increasing Pt thickness allows for the formation of fcc (111) CoPt3 structure in a Co/Pt multilayer geometry, as confirmed by the c/a lattice constant ratio of 0.949. The increase in the out-of-plane saturation magnetization value with increasing Pt thickness seems to originate from the enhanced perpendicular orbital moment of the proper CoPt3 structure. Secondly, the influence of inserted oxygen atoms on the structural and magnetic properties of a Co/Pt multilayer matrix was presented. Experimental analysis suggests that the addition of a small amount of oxygen atoms into the Co/Pt multilayer matrix leads to a high coercive field and proper magnetization performance, together with high thermal stability. Thirdly, the perpendicular magnetic anisotropy features of a hybrid [CoO/Pd]2/[Co/Pd]7 multilayer matrix with the [CoO/Pd]2 insertion layer was evaluated. Annealing allowed for the diffusion of oxygen atoms existing in the inserted [CoO/Pd]2 layer, leading to an atomic structural reconfiguration event. The hybrid matrix was crucial to result in a higher effective anisotropy energy than an ordinary [Co/Pd]7 multilayer matrix under annealing at 450 °C. X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the presence of Co-O bonding states and annealing dependent oxygen atom diffusion. Lastly, the thermally robust characteristics of Co/Pd multilayer-based synthetic antiferromagnetic structure was addressed by controlling a W layer as a potential buffer or capping layer. The W-capped Co/Pd multilayer-based synthetic antiferromagnetic structure exhibited a wide-range plateau with sharp spin-flip and near-zero remanence at the zero field. Structural analysis of the W-capped multilayer-based synthetic antiferromagnetic structure pinning layer exhibited single-crystal-like c-axis oriented crystalline features. In addition, when the W layer serving as a buffer layer for a conventional CoFeB reference layer, higher annealing stability up to 425 °C and prominent antiferromagnetic coupling behavior were obtained.