Understanding the exchange bias mechanism at the interface between a ferromagnet (FM) and an antiferromagnet (AFM) has been an almost half-century old problem after first discovery by Meiklejohn and Bean, who found that fine nanoparticles of partially oxidized Co exhibit magnetization curves with an unusual displacement along the field axis, as though there were a bias field in addition to the applied field. Tremendous efforts have been devoted to clarify the physics of the exchange bias effect since the exchange-biased system provides us a new kind of intriguing physical system having an interface between two dissimilar ordered magnetic systems as well as promising applications to spin-valve devices such as magnetic random access memory. Despite its technical importance, the exact origin involving these phenomena has not yet been clarified and remains a major outstanding problem in thin film magnetism. This is mostly attributed to the fact that the spin structure at the FM/AFM interface is complex and the kind of exchange interaction is completely unknown. Therefore, it is essential to investigate systematically the exchange-biased system with a well-defined spin structure and an exchange interaction between FM and AFM spins at the FM/AFM interface.
For this purpose, we have chosen a Fe(FM)/Cr(AFM) bilayer system since their magnetic properties have been fairly well characterized through various previous experimental researches done over the last decade but there has been no report about the exchange bias effect in this systems. Transition metal Cr is an itinerant antiferromagnet very different from other kinds of oxide-antiferromagnets, etc., such as NiO and CoO or metallic-antiferromagnet such as MnFe and MnIr, etc., which most researchs have been focused on so far. we have systematically investigated the magnetic properties of the Fe/Cr(100) bilayer structure with varying temperatures or cooling fields using the superconducting quantum interference de-vice magnetometry and the spin polarized neutron reflectometry. Among a number of ex-change bias phenomena, several issues such as positive exchange bias, uncompensated spins and antiferromagnetic coupling have been studied.
강자성체와 반강자성체 이중구조를 반강자성체의 넬온도이상에서 자기장을 가해준 상태에서 넬온도이하로 냉각을 하거나 또는 증착시 자기장을 가해준 상태에서 만들게 되면 계면에서 강자성체와 반강자성체의 상호작용에 의해서 거시적인 특성으로 자기이력곡선의 중심이 원점에서 가해준 자기장과 반대방향으로 변위가 일어나는데 이러한 현상을 가리켜 교환 바이어스 효과라 부른다. 이러한 교환바이어스 현상은 스필밸브구조에서 반강자성체와 접해있는 자성체의 자화방향을 고정시켜주는 효과로 외부에서 적절한 세기와 방향의 자기장을 가해주면 이웃하는 두 자성체의 자화방향을 서로 평행하게 또는 반평행하게 제어할 수가 있으며 이는 자기기록매질에서 정보저장방식으로 응용되고 있다. 본 연구에서는 교환 바이어스에 관한 모델 시스템으로 Fe/Cr(100) 이중구조를 선택하였는데 Fe/Cr시스템은 1980후반 반강자성 결합과 거대자기저항이 처음으로 관측되고 그 이후로는 가장 많은 연구가 이루어지고 있는 대표적인 자성다층박막이며 Cr은 반강자성체로서 Fe와의 계면에서 교환바이어스에 관한 효과가 관측될 것으로 보이나 지금까지 이에 관한 연구가 이루어진 바가 없다. 본 연구를 위해서 초진공 챔버에서 마그네트론 스퍼터링으로 MgO(100) 단결정 기판위에 Fe/Cr(100) 박막을 만들었으며 x-ray 반사 및 산란을 이용하여 Cr(100)이 박막면에서 수직한 방향으로 에피택시하게 성장하였음을 확인하였다. 온도와 냉각시 가해주는 자기장의 세기를 변화시키면서 측정한 자기이력곡선으로부터 어떤 임계온도와 임계자장에서 교환바이어스의 크기 뿐만 아니라 부호가 바뀌는 것을 관측하였다. 이러한 음의 교환 바이어스와 양의 교환바이어스 사이의 전이는 Fe와 Cr의 계면에서 반강자성 결합에 의한 결과로 보여진다. 이러한 결론을 뒷받침하기 위하여 깊이에 따른 자화분포를 원자층 분해능을 가지고 측정할 수 있는 스핀분극된 중성자 산란법을 이용하여 계면에서 Fe와 Cr의 상호간의 스핀결합을 관측하였다. 3K까지 자기장을 가하지 않고 냉각을 한 후에 측정시 가해주는 자기장의 세기에 따른 PNR 결과로부터 자기장의 세기가 0.1kOe의 경우에는 포화 자기장보다 작은 경우로 스핀 비대칭 곡선 (spin assymetric curve)이 수평축에 대해서 위아래로 같은 진폭을 가지고 대칭적으로 진동하는 것을 볼 수 있는데 이는 Fe 박막이 자화가 되면서 일어나는 효과로 볼 수 있으며 자기장의 세기를 더 증가시켜서 포화자기장보다 큰 자기장(3kOe)을 가해주었을 때에는 스핀 비대칭 곡선이 음의 수직축방향으로 이동한 것을 분명하게 볼 수 있는데 이는 가해준 자기장의 방향의 반대방향으로 자기 모멘트들이 존재하기 때문에 생기는 것으로 보여진다. 다시 말해서, zero field cooling시에는 시료 제작시 가해준 자기장의 효과로 Fe 층은 잔류자화 상태로 있지만 Cr은 비자화 상태로 냉각이 되었다가 3K에서 측정시 포화자기장을 가해주었을 때에는 Fe층이 쉽게 자화가 일어나기 때문에 x축에 대해서 대칭인 진동을 보이다가 포화자기장보다 큰 자장을 가해주었을 때에는 Fe 계면 근처에 있는 Cr 자기 모멘트들이 가해준 자기장의 방향으로 향하는 것보다 FE와 Cr상이의 반강자성 결합을 하는 것이 에너지적으로 더 선호하여 Fe와의 계면에서 반평행하게 배열된 효과로 여겨진다. 뿐만 아니라 양자간섭장치 자력계를 이용해서 극저온에서 측정한 자기이력곡선의 수직 이동(vertical shift)으로부터 자기장을 가해서 냉각을 했을 때 uncompensated spin이 유도되는 것으로 볼 수 있으며 이는 스핀 분극 중성자 반사법을 이용한 스핀 비대칭곡선으로부터 또한 관측할 수가 있었다. 여기서 주목할 만한 실험적 결과는 기존의 이론적 모델에 따라 pinned uncompensated Cr스핀들이 모두 반드시 교환바이어스를 일으키는데 관여하지는 않는다는 중요한 사실을 알 수가 있었다.
