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자성박막을 위한 돌림힘자력계 측정법 연구 = Study on torque magnetometry for thin films
서명 / 저자 자성박막을 위한 돌림힘자력계 측정법 연구 = Study on torque magnetometry for thin films / 허진.
저자명 허진 ; Hur, Jeen
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1997].
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초록정보

It is important to understand and measure magnetic behavior of magnetic materials having uniaxiall anisotropy due to fundamental interests as well as industrial applications. Main goal of this study is to present elegant methods for understanding and measuring magnetic behavior of magnetic materials having uniaxiall anisotropy. Topics have been dealt with in this study are as follows: Firstly, the simple model, which unifies two magnetic reversal models of the irreversible rotation and irreversible domain wall displacement, has been developed and the systematic study on the shape of torque curve has been presented on the base of the present model. Secondly, the closed form expressions for the magnetization orientation of θ and its derivatives of $\frac{∂θ}{∂φ}$ and, $\frac{∂θ}{∂h}$ have been derived as the explicit and exact functions of φ, h and $h_0$. Thirdly, to simultaneously measure the anisotropy energy constants and the saturated magnetizations of samples having the low anisotropy field, the high anisotropy field, and the high coercivity field, three new methods have been developed and their advantages and short comings have been investigated. The torque function and its derivatives were also used to measure the anisotropy field and anisotropy energy by fitting experimental τ-φ curves to it. Finally, a new torque mangetometric method for measuring the M-H hystersis loop has been developed. The present model for describing the magnetic reversal of a sample provides clear knowledges on the magnetic reversal and the τ-φ hysteresis curve, which can not be explained by only one of the irreversible rotation model and the irreversible domain wall displacement model. It is a striking difference of the present model, compared to the two models, that the magnetic reversal mechanism of a sample changed from the irreversible domain wall displacement to the irreversible rotation in the process of rotating magnetization as an applied field intensity is increased. The shape of the τ-φ curve of uniaxial magnetic material based on the present model were fully investigated and it was classified into three distinct τ-φ curve families by the values of $h_0$'s. This gave complete informations on analyzing the τ-φ curve such as the coordinates of peak positions, the slopes, the hysteresis, limits of measurement methods by analyzing the τ-φ curves published so far. The closed form expressions for the magnetization orientation of θ and its derivatives of $\frac{∂θ}{∂φ}$ and $\frac{∂θ}{∂ h}$ have huge potential applications in developing theory for describing the magnetic behavior of a uniaxially anisotropic material and in analyzing experimental results such as the magnetic torque, the permeability tensor, the signal of the ferromagnetic resonance, and their derivatives with respect to the applied field. For example, the explicit expressions for the magnetic torque and its derivatives were derived. Expressions for the special values of torques and of thier derivetives with respect to the orientation and the intensity of the applied field, were useful to understand the process of rotating magnetization as well as reliable to measure the anisotropy energy constant and the saturated magnetization by analyzing τ-φcurve. Since our method of fitting utilizes all measurement data and gives the result of self test for reliablity even if an experimental τ-φ curve was not calibrated, the present method of fitting is believed to have advantages of accuracy, reliablity, and convinience in measuring the anisotropy energy constant and the saturated magnetization. Futhermore, the present method of fitting gives accurate measurements even if the available applied field intensity was lower than the anisotropy field intensity of a sample. A new method for measuring the M-H hysteresis loops of magnetic material having a uniaxial anisotropy has been developed by using the equation for converting torque to the magnetic moment. This torque magnetometric method gave simultaneously the saturation magnetization, the remnant magnetization, and the coercivity, depending on an applied field orientation. The sensitivity and the accuarcy in measuring magnetic moment have been theoretically investigated by the relations between uncertainties in measuring torques, the orienations and intensities of applied fields, the anisotropy energy constant, and the magnetic moments. This technique has a remarkable merit of an extremely high sensitivity when it used to measure the small magnetic moments of a sample having the high anisotropy field.

본 논문에서는 일축비등방성 자성체의 자기화역전을 기술하는 비가역자기화회전 이론 및 비가역자벽이동 이론을 통합한 간단한 이론을 개발하였다. 이 이론에 근거하여 가지마당의 세가를 고정하고 그 방향을 변화시키며 자기화 시킬 때 자기화가 역전하는 자기마당의 방향을 그 세기의 함수로 나타내었다. 이 이론으로 비가역자기화회전 이론 및 비가역자벽이동 이론만으로는 설명할 수 없는 일축비등방성 시료의 τ-φ 이력곡선을 설명할 수 있었다. 돌림힘곡선의 개형에 대한 연구 결과 통합된 자기화역전 이론이 비가역회전자기화 이론과는 다르게 첫째, 낮은 자기마당세기(h < 0.5)에서의 갑작스런 자기화역전 둘째, 135° 보다 큰 역전자기마당방향을 갖는 곡선들을 설명할 수 있음을 보였고, 둥근 정점의 좌표와 존재조건, 및 돌림힘과 그 기울기들의 특수값들을 구하였는데, 이로부터 τ-φ 곡선의 개형은 시료의 보자력에 따라 크게 3가지로 구분됨을 알 수 있었고 매우 높은 자기마당 세기에서는 $τ_{hp+}τ'_↑ + τ'_⊥τ'_↑-τ_{hp+}τ'_⊥=0$을 만족하고 매우 낮은 자기마당세기에서는 관계식 $2τ'_↑τ'_↓+τ_{lp+}τ'_↑-τ_{lp+}τ'_↓=0$을 만족함을 알았다. 기존에 둥근 정점의 좌표를 이용하여 비등방성상수 및 포화자기화량을 구하는 방법들의 적용한계가 비등방성 자기마당의 71%임을 알 수 있었다. 자기화방향함수는 일축비등방성 단자구 시료의 자기화 과정도 기술할 수 있을 뿐만 아니라 그 식들이 닫힌 형태의 양함수라는 장점이 있다. 따라서 자기화방향을 나타내는 식과 그 편미분 식들은 자기마당의 함수로 측정된 단자구 일축비등방성 단자고 자성체의 돌림힘의 τ-φ 및 τ-H 측정결과들 뿐만 아니라 자기모멘트의 M-H 및 M-φ 측정결과들, 자기화감수율과 강자성공명 신호를 양함수로 나타낼 수 있고 그들의 편미분 함수들도 양함수로 제공할 수 있으리라 사료된다. 따라서 포화자기모멘트 및 비등방성 자기마당의 방향과 크기를 간단하고 정확하게 측정할 수 있는 자기맞춤측정법들을 제공할 뿐 아니라 그 식들의 선형 결합들은 상호작용이 없는 단자구 자성체들로 이루어진 자성집합체의 자기적 거동을 기술 가능하고 자성 집합체를 이루는 자성체 각각의 자기모멘트들과 비등방성 자기마당의 방향과 세기의 분포등을 정확하게 측정할 수 있는 방법들을 제공하는데 큰 기여를 하리라 사료된다. 한편, 돌림힘자력계를 이용하여 포화자기화량 및 비등방성 에너지상수를 측정할 수 있는 방법들에 대해 연구하였는데 일축비등방성 자성체의 τ-φ 곡선이 만족해야 하는 조건들로부터 시료의 비등방성 자기마당이 높을 때, 비등방성 자기마당이 낮을 때, 보자력이 높을 때의 측정법에 대해 연구하였고 돌림힘함수를 맞춤함수로 이용한 자기맞춤측정법을 개발하였다. 돌림힘자력계를 이용하여 자기모멘트를 측정하는 방법을 개발하고 돌림힘자력계의 측정오차와 측정감도가 자기모멘트 측정오차와 감도에 대해 미치는 영향을 이론적으로 고찰하였는데 비등방성 자기마당이 매우 높은 시료에 적용될 경우 다른 측정장비들에 비해 매우 유리함을 알 수 있었다. 이 연구 과정에서 얻은 결과들을 더욱 심화시키고 미비한 점을 보완할 수 있도록 다음과 같은 추후 연구를 위한 제언으로는 닫힌 형태의 양함수로 표현된 자기마당방향 함수와 그 편미분 함수들로 부터 자기적으로 불균일한 자성 집합체의 자기행동(magnetic behavior)를 기술하고 측정할 수 있는 방법들에 대한 연구를 들 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 97034
형태사항 x, 102 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Jeen Hur
지도교수의 한글표기 : 신성철
지도교수의 영문표기 : Sung-Chul Shin
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 참고문헌 : p. 94-102
주제 자성
자기화역전
이력
자성측정
돌림힘
Magnetism
Magnetic reversal
Hysteresis
Magnetic measurement
Torque
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