The geometry and dynamics of magnetic domain in ultrathin ferromagnetic films and nanomultilayers are of fundamental interests, because the nature of domain and domain dynamics in these systems plays a key role in determining their important magnetic properties such as the domain formation and the magnetization reversal. From the technological point of view, interest in the geometry and dynamics of magnetic domain in these system has grown rapidly motivated by the possible application to information storage technology and upcoming magnetoelectronics. In this study, we have investigated the magnetic domain configurations, domain dynamics, and their scaling behavior in various ferromagnetic thin films such as Co, Co/Pd, and Co/Pt systems.
To study the geometry and dynamics of magnetic domain, we have developed a high-performance magnetooptical microscope magnetometer (MOMM) system, which basically consists of a polarizing optical microscope, digital intensifying-CCD, and high-speed frame grabber to observe and store the image of magnetic domain via magnetooptical Kerr effect (MOKE). The system is capable of real-time domain observation with the spatial resolution of 0.4㎛ and the Kerr angle resolution of 0.1˚ at x1,000 magnification. By controlling the optical illumination path, we can provide an incident angle of 0 to 20˚ from the film normal and thus, we can observe magnetic domains of sample having perpendicular magnetic anisotropy via polar MOKE with normal incidence as well as sample having in-plane magnetic anisotropy via longitudinal MOKE with oblique incidence.
By means of MOMM, we first report direct full-field observation of Barkhausen avalanches in Co polycrystalline thin films at criticality, where we can find dynamic scaling behavior of Barkhausen jump size. The Barkhausen jump size shows power-law scaling distribution with critical exponent τ=1.30±0.05, which is accordant to the two-dimensional prediction of the theoretical model originally proposed by CZDS [P. Cizeau et al., Phys. Rev. Lett. 79, 4669(1997)] and later generalized into dimensionless version by Vazquez et al.[A. Vazquez et al., Phys. Rev. Lett. 84, 1316 (2000)]. The model takes into account of long-range dipolar interaction assuming flexible domain wall deformed by localized defect. We provide direct experimental evidence for the CZDS model by observing flexible 180˚-type fluctuating domain wall even when the strong pinning site exists as well as by providing exact determination of experimental value of critical exponent coinciding with model value.
We have studied also the scaling behavior in the geometry of magnetic domain. We first report our experimental finding regarding correlation between fractal structure and reversal mechanism of magnetic domain. We measured fractal dimension as well as wall-motion speed V and nucleation rate R of various Co/Pd and Co/Pt multilayers at magnetization reversal via direct domain observation. Fractal dimension is found to be inversely related to the reversal ratio V/R and thus, it can be a characterization tool for magnetization reversal process as well as for jaggedness of domain geometry.
나노자성박막의 자구의 형상과 동역학에 관한 연구는 자구생성, 자화반전등과 같은 기본적인 자기적 특성을 이해하기 위한 중요한 학문적 분야이다. 기술적인 관점에서도 최근 진공기술 및 시료제작기술의 개발로 인해 나노자성박막의 제조가 용이해지고, 정보저장기술이나 앞으로 다가올 스핀트로닉스로의 응용가능성으로 인해 자구의 형상과 동역학에 관한 연구는 급속하게 발전하고 있는 분야이다. 본 연구에서는 다양한 종류의 Co 나노박막, Co/Pd 그리고 Co/Pt 나노다층박막에서의 자구의 형태와 동역학, 그리고 이들의 축척행동을 연구하였다.
자구의 형상과 동역학을 연구하기 위해 우리는 고성능 광자기현미경자력계를 개발하였다. 이 자구관측 시스템은 기본적으로 편광광학현미경과 디지털증폭 CCD, 그리고 고속 영상캡쳐장비로 이루어져 있으며, 광자기 Kerr 현상을 이용하여 자구영상을 관찰하고 저장할 수 있게 디자인되어있다. 광자기현미경자력계는 1000배의 배율에서 0.4㎛ 의 공간분해능과 0.1˚ 의 Kerr 회전각 분해능을 가지고 자구를 실시간으로 관찰할 수 있게 한다. 광원으로부터의 광경로를 조절함으로서 시료에 진입하는 광의 입사각을 0˚ 에서 20˚ 까지 가해 줄 수가 있는데, 수직자기이방성 시료의 경우 수직입사후 수직광자기 Kerr 현상을 이용하고 수평자기이방성 시료의 경우 사선입사후 수평광자기 Kerr 현상을 이용하여 자구를 관찰한다.
광자기현미경자력계를 이용하여 우리는 임계성을 보이는 Co 다결정박막의 박하우젠 효과를 직접적으로 전영역 관찰하였고, 여기서 박하우젠 점프의 크기가 동적인 축척행동을 보임을 발견하였다. 이러한 직접관찰로부터 박하우젠 점프의 크기 s 의 분포는 임계지수 τ= 1.30 ±0.05 의 크기를 가지고 지수분포 $P(s) ~ s^{-τ}$ 의 형태를 가짐을 발견하였다. 본 연구에서 결정된 임계지수의 실험값은 Cizeau 등에 의해 처음 제안된 CZDS 모델[P. Cizeau et al., Phys. Rev. Lett. 79, 4669 (1997)]과 이후 Vazquez 등에 의해 일반화된 일반-CZDS 모델[A. Vazquez et al., Phys. Rev. Lett. 84, 1316 (2000)]에서 예측되는 이론적인 값과 실험 오차범위 내에서 일치한다. 이 이론적인 모델들은 국소화된 시료내의 결함에 의해 변형된 유연한 자구벽을 가정하고, 긴 범위의 쌍극성 상호작용을 고려한 이론들이다. 우리는 직접적인 자구관찰로부터 CZDS 모델에서 이론적으로 예측한 임계지수값과 같은 실험값을 얻었을 뿐 아니라, 강한 시료결함의 경우에도 여전히 요동하는 180˚ 형태의 자구벽을 직접 관찰함으로서 일반-CZDS 모델의 직접적인 실험적 증거를 제공하였다.
나노자성박막 시스템의 또 다른 축척행동의 예로서 우리는 자구 형상에서의 축척행동을 연구하였다. 우리는 자구의 프랙탈 구조와 자화의 반전현상간의 상관관계를 최초로 보고하였는데, 이를 위해 다양한 Co/Pd, Co/Pt 나노다층박막에서 자구의 속도 V, 자구의 핵형성확률 R, 그리고 프랙탈 차원등을 광자기현미경자력계를 이용하여 측정하였다. 그 결과 프랙탈 차원이 반전비율 V/R 과 역대응하는 것이 발견되었고 따라서, 본 연구에서는 프랙탈 차원이 자구형상의 고르지 않은 정도를 나타내는 것 뿐 아니라 자화의 반전과정을 특징지을 수 있는 변수가 될 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
