Magnetization reversal behavior and domain dynamics in ultrathin ferromagnetic films are fundamentally crucial issue, since magnetization reversal behavior and domain dynamics play important role in determining their important magnetic properties such as the shape of magnetic domain and the coercivity. It is also an important subject in technological point of view, because it governs the formation of the written domain size, irregularity, and stability. We have investigated the magnetization reversal behavior, stochastic behavior in magnetization reversal process, and their scaling behavior in CoCrPt alloy films, which has received significant attention as possible high-density perpendicular magnetic recording media because of its strong perpendicular magnetic anisotropy and high coercivity necessarily required for high-density recording. In our study, we utilized the full-field magnetic transmission soft X-ray microscope (MTXM), which has a lateral resolution down to 15 nm provided by Fresnel zone plates used as optical elements and magneto-optical microscope magnetometer (MOMM), capable of direct time-resolved observation of magnetic domain patterns and simultaneously measuring the local magnetic properties on a submicrometer spatial resolution.
We report that the magnetization switching is carried out by a random nucleation process that can be attributed to individual grains. We found evidence of a large distribution of the switching fields at the nanogranular length scale, which has to be considered seriously for applications of CoCrPt systems as magnetic high density storage materials. We found that with increasing the Pt concentration the local coercivity distribution becomes asymmetric and the average local coercivity as well as the width of the distribution increases. Transmission electron microscopy studies, together with a theoretical explanation reveal that the results are closely correlated with the grain size distribution dependent on the Pt concentration.
We directly evidence a stochastic behavior in real space in the magnetization reversal of nanograins of CoCrPt alloy film. Domain nucleation sites are stochastically appeared with repeated hysteretic cycles, where the correlation is increased as the strength of an applied magnetic field decrease in the descending and ascending branches of the major hysteresis loop. Domain configuration is mostly asymmetric with inversion of an applied magnetic field in the hysteretic cycle. The stochastic nature of the domain nucleation behavior of CoCrPt alloy film is explained by micromagnetic simulation considering thermal fluctuation of the magnetic field. The temporal scaling behavior in magnetization reversal process of CoCrPt alloy film have been investigated by measuring the domain wall arrival time in field view. The arrival time of magnetic domain wall, detected in the $40\times 32 \mu m^{2}$ observation area and triggered elsewhere in CoCrPt alloy films of $1\times 1 cm^{2}$ size, is measured via direct time-resolved observation of magnetic domain patterns by means of magneo-optical Kerr microscopy. The first arrival time exhibits a nontrivial fluctuation and its distribution is described by power-law with a scaling exponent of 1.33 ± 0.05 irrespective of film structural properties tuned by Pt concentration. The scaling behavior of domain wall arrival time is interpreted by theoretical simulation based on random walk model with defined conditions.
CoCrPt합금박막과 같은 나노자성박막의 자화역전거동 및 자구동력학에 관한 연구는 자구생성, 자화반전등과 같은 기본적인 자기적 특성을 이해하기위한 중요한 학문적 분야이다. 또한 기술적 및 응용적인 관점에서도 고밀도 자기 기록 매체의 구현과 실용화에 있어서 필수적으로 요구되는 핵심적인 정보를 제공함으로써 자화역전거동 및 자구동력학에관한 연구의 중요성은 더욱 강조되고 있다.
본연구에서 CoCrPt 합금박막에서의 자화역전거동을 15 nm의 높은 공간분해능을 가지는 자기 투과 X-ray 현미경을 이용하여 관측하였다. CoCrPt 합금박막의 자화역전은 결정립 각각의 역전에 기인한 무작위적인 핵생성 과정이 우세함을 실험을 통해 직접 관찰하였다. 또한, 높은 자기장 영역에서 자구역전거동을 관찰한 결과, 나노 영역에서 고밀도 자기 기록 매체로써의 응용에서 핵심이되는요소인 역전 자장 분포가 CoCrPt 합금박막내에서는 크게 나타남을 확인하였다. 핵생성과정이 우세한 CoCrPt합금박막의 자화역전을 더욱 깊이 이해하기위해, 광자기 Kerr현미경을 이용해 국소영역의 자기적 변화를 400 nm의 크기를 가지는 8000개의 국소영역에서 측정한 보자력을 분석함으로써 연구하였다. CoCrPt합금박막에서는 Pt 함량이 증가함에 따라, 국소보자력 분포가 정규분포에서 비정규분포로 변화하며 국소보자력 분포폭과 평균 보자력값이 증가하는것으로 나타났다. 투과전자현미경으로 관찰한 미세구조의 분석과 시뮬레이션을 통한 이론적인 분석을 통해 Pt함량에 따른 국소보자력 분포 변화는 결정립의 크기 분포 및 평균크기의 변화에 의해 기인된 결과임을 확인하였다.
학문적, 기술적으로 직접적인 관측과 규명이 강조되는 자화역전 과정에서의 무작위적인 거동에 대한 연구를 위하여, 반복적인 이력주기 의 동일한 자기장에서 측정한 자구분포를 비교해 보았다. 그 결과, 자화역전과정에서의 자구핵생성이 이력곡선의 반복 주기에서 확률적 거동을 보임을 확인하였다. 이러한 확률적 거동은 이력곡선에서 대칭이 되는 자기장에서 측정한 자구분포를 분석한 결과에서도 확인되었는데, 이러한 결과를 통해 자구핵생성과정은 자기장의 방향에 따라 비대칭적으로 진행됨을 확인할 수 있었다. 많은 피닝 싸이트를 가지는 CoCrPt 합금박막내에서 관측된 자구 핵 생성과정의 확률적 행동은 열적인 효과에 의한 자기장의 열적 변동에 의한 것임을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
마지막으로, 무작위적인 거동을 나타내는 자화역전과정에 존재하는 통계적인 법칙에 대한 연구를 위해 광자기 Kerr 현미경을 이용해 자구를 관측하는 영역에 자구 벽이 도착하는 시간에 대한 축척행동을 관찰하였다. 이러한 관찰로부터 특정 영역에 자구 벽이 도착하는 시간에 대한 분포가 지수분포 형태를 가짐을 확인하였다. 또한 구조적인 차이를 가지는 모든 시료내에서 임계 상수가 1.33 ± 0.05 값을 나타냄을 발견하였다. 실험을 통해 얻은 특정영역에 자구 벽이 도착하는 시간의 축척행동은 랜덤 웍 모델을 통해 해석될수 있음을 이론적 시뮬레이션을 통해 증명하였다.
