Study on domain and domain dynamics in two-dimensional ferromagnetic thin films is a challenging issue in magnetism as well as in spintronics. Recently, understanding domain and domain dynamics has been tremendously enhanced by means of advanced domain imaging techniques, which are capable of direct observation of the domain configurations and domain evolution patterns. We have investigated the domain structure and domain reversal behavior in two typical ferromagnetic thin film systems such as the Co/Pd multilayer system with perpendicular magnetic anisotropy and the MnAs/GaAs(001) system with in-plane magnetic anisotropy.
In our study, the domain structure was investigated using a magnetic force microscope (MFM) system, equipped with an electromagnet which allows to investigate the evolution of the magnetic domains in an in-plane applied magnetic field. Also, the domain reversal behavior was investigated by means of a magneto-optical Kerr effect 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 investigate the thermally activated domain reversal of Co/Pd multilayers with uniaxial perpendicular anisotropy using the MOMM equipped with a magnetic pulse generator in a wide time range of $10^{-5}$ ~ $10^3$. It is found that the energy barrier in the thermally activated process is nonlinearly dependent on the applied field, irrespective of the difference in the domain evolution processes of wall-motion, dendrite-growth, and nucleation. These results are well explained by a theoretical model considering a ferromagnetic thin film with uniaxial perpendicular anisotropy. Also, it is found that the field dependence of the activation volumes is characterized by the difference between the domain wall energy and the dipolar energy.
We report the change of the magnetic domain structure, dependent on the film thickness of the MnAs films. Interestingly, as the film thickness decreases the domain structure within the ferromagnetic α-MnAs stripes changes from a head-on domain structure to a simple 180° one around a thickness of 250 nm. This result is understood by the change in the demagnetizing factor of the ferromagnetic stripes with the film thickness. Also, domain reversal of the MnAs film in the temperature range of 20 ~ 35 ℃ is governed by the saw-tooth typed domain-wall motion with increasing the saw-tooth angle with temperature and then, it changes to the nucleation-dominant process above 37.5 ℃. This change is ascribed from the decrease of the dipolar interaction with increasing temperature and the disconnection of the ferromagnetic α-MnAs stripes at higher temperature near $T^{C}$.
Also, we present that the scaling behavior of Barkhausen criticality in a ferromagnetic MnAs film is experimentally tunable by varying temperature despite the same dimensionality. It is found that the value of the scaling exponent could be systematically varied from 1.32 to 1.04 by increasing temperature from 20 ℃ to 35 ℃. This is the first finding that the scaling behavior in the Barkhausen criticality of a given system crosses over between two universality classes when the relative contributions between the dipolar interaction and domain-wall energies are altered with an experimental parameter.
2차원 자성박막에서의 자구 및 자구 동역학은 응용적인 측면에서는 스핀트로닉소자의 제어와 학문적인 측면에서는 나노자성학의 정립에 있어 아주 중요한 연구 분야이다. 최근에는, 자구를 직접 관찰 할 수 있는 여러 고성능 자구 관찰 장비들의 개발로 인해 이러한 자구 및 자구 동역학의 이해에 대한 관심이 점점 고조되고 있다. 본 논문에서는 대표적인 2차원 자성박막인 수직자성 Co/Pd 다층박막과 수평자성 MnAs/GaAs(001)박막의 자구 및 자구 동역학을 연구 하였다.
먼저, 수직자성을 가지는 Co/Pd 다층박막에서 $\mu$ ~ s 시간영역에서의 열적활성화에 의한 자구동역학을 연구하였다.열적활성화 에너지는 자구역전패턴과 관계없이 자기장의 세기에 대해 비선형 관계식을 가짐을 알 수 있었다. 이는 일축 수직자기이방성을 가정한 이론적인 예측과 일치함을 알 수 있었다. 또한, 자구의 기본역전단위인 열적활성화 체적이 자기장의 세기에 따라 선형적으로 감소함을 알 수 있었다. 이는 열적활성화 에너지가 자기장에 대해 비선형 관계식을 만족하기 때문이다.
수평자성을 가지는 MnAs박막에서의 자구 및 자구 동역학을 연구 하였다. 재미있게도, 두께가 감소함에 따라 강자성 α-MnAs띠내의 자구구조가 head-on 자구구조에서 simple 자구구조로 변함을 알 수 있었다. 이는 두께에 따른 강자성 띠들의 demagnetizing factor들의 변화 때문이다. 또한, 온도가 20℃에서 35℃로 변함에 따라 자구역전은 톱니모양의 자구벽 이동 성향에서 자구핵 형성 성향으로 전이함을 알 수 있었다. 이는 온도증가에 따른 자기 쌍극자 에너지의 감소와 고온에서 일어나는 강사성 α-MnAs띠들의 disconnection에 기인한다.
마지막으로, MnAs박막의 박하우젠 임계축적현상을 연구하였다. 재미있게도, 온도가 20℃에서 35℃로 증가함에 따라 박하우젠 power-law 축적지수는 1.32에서 1.04로 체계적으로 변함을 관측하였다. 이는 자성박막 내에서 자기 쌍극자 에너지와 자구벽 에너지가 서로 경쟁할 때 박하우젠 임계축적현상은 두 개의 universality classes사이를 crossover한다는 것을 실험적으로 관측한 최초의 결과이다.
