Recently the great increase of giant magneto impedance (GMI) ratio due to ion irradiation was found in amorphous ribbon and intensive research into this mechanism will result in a technological advance in the field of sensor applications. Earlier studies of irradiation effects on magnetic alloys centered mainly on neutron irradiation of bulk materials. Despite a number of previous studies, the understanding of the neutron irradiation effects on magnetic properties of amorphous and crystalline magnetic materials remains controversial, in part, due to the complex nature of the problem. Generally, the changes of magnetic properties of materials are interpreted in terms of domain wall dynamics. Barkhausen noise (BN) gives insight into the domain wall dynamics because it originates from the irreversible displacement of domain wall which is caused by variation in the wall energy with wall displacement. This study investigates the behavior of BN as observed in the ion irradiated amorphous ribbon as a function of ion dose and ion energy. The behavior of BN is analyzed by means of signal analysis techniques including fast Fourier transform and wavelet transform, and the results are interpreted on the basis of radiation damage theory and domain wall dynamics.
The GMI response of the ion irradiated $Co_{66}Fe_4B_{15}Si_{15}$ amorphous ribbon showed quite different behavior respect to the irradiated ion energy, ion dose and the applied driving frequencies range. For ion energy, the drastic increase of GMI was found in the sample irradiated with energy of 100 keV, but a similar size of increase was observed in the sample of 50 keV and 70 keV. So, a direct dependence of ion energy on GMI was not found. On other hand, the GMI was varied according to the ion dose and the driving frequency for ion dose. Maximum increase of GMI was observed in the sample of the maximum ion dose and the linear increase of GMI on ion dose also observed.
The parameters of Barkhausen noise increase with ion dose and tend to saturate at higher ion dose. These results are attributed to the increased irreversible domain wall motion induced by the pinning of domain walls caused by the increased point defects and impassable defects due to the grouping of defects. In case of ion energy, on the other hand, BN parameters show initial slow increase and final rapid increase of BN. It seems to be related to number of the grouping defects and the depth profile caused by ion irradiation. The amplitude of power spectrum increases with increasing ion dose and ion energy at all levels of frequency. The simple comparison of the wavelet transform coefficient shows a similar trend as the BN envelope and the power spectrum. One step further from simple comparison shows that wavelet transform can be used to compare the frequency variation in each time band.
From the supplementary experiment, we found that the coercivity increased and the squareness of M-H loops was decreased by ion irradiation. No clear change of the saturation magnetization was observed in the ion irradiated sample. The creation of crystalline phases and the new phase change were not observed from GID, XANES and TEM results in the Ar ion irradiated sample, which indicates that this condition of experiment was not enough to make any difference in the sample.
거대교류자기저항 (giant magneto impedance: GMI) 현상이 발견된 이래 고밀도 정보기록매체 헤드센서에 사용되는 거대자기저항 (giant magneto resistance: GMR) 보다 자기감응도가 우수한 성질을 이용한 자기센서로써의 활용가능성이 대두되고 있다. 의료용, 교통량 조사 및 지진센서 등 다양한 분야에서 응용되고 있으며 최근에는 고분해능의 GMI 소자를 이용하여 원자로압력용기에서의 중성자 조사로 인한 조사손상을 탐지할 수 있는 비파괴 평가기술로의 활용이 시도 되고 있다. 또한 GMI의 자기감응도를 향상시키는 연구도 꾸준히 진행되고 있으며 최근에 중성자에 의해 GMI 성질이 향상될 수 있다는 발표에 이어 이온조사에 의해서도 GMI의 자기감응도를 향상시킬 수 있다는 사실이 발견되어 이에 대한 연구가 진행되고 있으나 아직 그 원인에 대한 명확한 설명이 이루어지지 않고 있다. 이온조사가 중성자조사의 경우보다 더 좁은 영역에서 조사가 가능하며 에너지 및 선량 조절이 용이하다는 점 때문에 활용가능성이 높으며 따라서 이온조사를 통해 GMI 성질의 향상을 위하여서는 이온선량과 이온에너지에 대한 자기적 성질 변화에 대한 연구가 필요하다.
지금까지 조사에 대한 자기적 성질에 관한 연구는 중성자를 이용한 조사손상 연구에 주로 이루어졌으며 이온조사에 의한 자기적 성질에 관한 연구는 일부 수행되었지만 많은 연구는 아직 수행되고 있지 않다. 따라서 조사효과에 의한 GMI 자기감응도 향상에 대한 효율적인 사용을 위하여 이러한 현상을 야기하는 자기적 성질 변화에 대한 많은 실험측정치가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 자기적 성질의 기본적인 발생원인으로 알려진 자벽운동을 조사하는데 효과적인 바크하우젠노이즈 방법을 통해 비정질 리본에 이온 선량과 이온 에너지를 달리하여 조사시킨 후 이온 선량과 이온 에너지에 대한 자기적 성질 변화를 관찰함으로써 GMI 자기적 성질 변화에 대한 이해를 향상시키고자 하였다.
일반적으로 바크하우젠노이즈 현상이 급작스러운 자벽운동의 결과로서 발생하기 때문에 이 현상의 해석으로 자기적 성질 변화의 직접적 원인인 자벽운동의 경향을 파악하는 것이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 상업적으로 자기센서 물질로 사용되고 있는 코발트 베이스 비정질 리본인 $Co_{66}Fe_4B_{15}Si_{15}$에 이온가속기를 사용하여 이온선량을 $1.0\times10^{15} ion/cm^{2}$부터($1.0\times10^{17} ion/cm^{2}$)까지, 이온 조사 에너지를 50 keV에서 100 keV까지 변화시켜 조사시킨 후 바크하우젠노이즈를 측정하였으며 기존의 신호해석방법을 통하여 여러가지 측정가능한 파라메타를 도출하여 분석하였다. 바크하우젠노이즈의 진동수 영향 및 시간에 따른 효과를 알아내기 위해 푸얼리 변환 해석을 시도하였고 또한 측정된 바크하우젠노이즈가 비정형파임을 감안하여 최근 비정형파의 새로운 신호해석방법으로 나타난 연속 웨이브렛 방법을 적용하여 해석하였다. 해석된 신호해석결과는 조사손상이론과 자벽운동역학이론을 근거로 설명하였다.
Ar 이온을 조사한 $Co_{66}Fe_4B_{15}Si_{15}$ 비정질리본의 GMI를 측정한 결과 이온에너지를 달리하여 조사한 경우의 GMI 값의 증가는 이온에너지와 진동수에 연관성을 보였다. 최대 에너지 (100 keV) 로 조사한 시편에서 GMI 값의 증가가 가장 높았으나 50 keV와 70 keV인 경우 GMI 값은 증가하였으나 거의 같은 크기로 증가하여 이온 에너지에 대한 의존성은 발견할 수 없었다. 진동수에 대한 세가지 영역에 의존성이 나타났으며 진동수 1 MHz까지 급격하게 증가하고 1-5 MHz에서는 완만하게 증가하고 5 MHz이후에는 감소하는 경향을 보였다. 이온선량을 달리한 경우 GMI 값의 증가는 이온선량과 가해준 진동수에 따라 변화하였다. 최대 선량 ($1.0\times1017ion/cm^2$) 으로 조사한 시편에서 GMI 값의 증가가 가장 높았으며 선량에 비례하여 GMI 값이 증가하였다. 가해준 진동수에 대한 세가지 영역에서 의존성을 보였다.
Ar 이온 선량을 달리하여 조사된 $Co_{66}Fe_4B_{15}Si_{15}$ 비정질 리본의 바크하우젠노이즈 파라메타들은 이온조사 양이 적은 초기 조사상태에서는 바크하우젠노이즈 값이 이온선량에 비례하여 증가하였으나 이온조사량이 증가한 후기 조사상태에서 바크하우젠노이즈 값이 포화되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 초기 이온조사에 의하여 생성된 결함이 이온선량에 비례적으로 증가하여 증가된 결함에 의해 급작스러운 자벽 운동이 증가하여 발생한 것이다. 후기의 바크하우젠노이즈 값의 포화현상은 이온조사에 의해 발생한 결함들이 서로 결합하여 결함들의 군락을 이루어 자벽이동을 방해하기 때문이다. 따라서 이온조사에 의한 결함이 자기적 성질 변화에 기여한 것으로 보인다. 또한 바크하우젠노이즈의 진동수 영향 분석에서는 바크하우젠노이즈가 모든 진동수 영역에서 발생하고 새로운 신호해석방법인 웨이브렛 해석이 기존 신호해석과의 유사성이 있으며 비정형파의 시간영역에서 진동수 변화를 비교하는데 사용할 수 있음을 보였다.
Ar 이온 에너지를 달리하여 조사된 $Co_{66}Fe_4B_{15}Si_{15}$ 비정질 리본에서 바크하우젠노이즈 파라메타들은 이온에너지가 낮은 초기 조사상태에서는 바크하우젠노이즈 값이 이온에너지에 비례하여 소폭 증가하였으나 이온에너지가 증가한 후기 조사상태에서는 바크하우젠노이즈 값의 증가가 급격히 이루어졌다. 이러한 초기 소폭증가와 후기의 급격한 증가 결과는 이온조사에 의한 조사깊이와 이온조사에 의해 발생한 결함들이 서로 결합한 결함군락과 관계가 있다. 이온에너지가 낮은 경우에는 이온이 조사시편 깊숙이 들어가지 못하고 표면에서 주로 분포한다. 이 경우 표면에서는 조사결함의 농도가 높기 때문에 결함군락의 수가 증가할 확률이 높아지게 되어 많은 조사결함군락이 생기기 때문이다. 바크하우젠노이즈의 진동수 영향 분석과 웨이브렛 해석분석에서는 이온에너지에 따른 파라메타의 증가를 보였다.
이온조사에 의해 재결정 및 새로운 물질상태로 변화하는 가능성을 조사하기 위해 추가적인 실험이 수행되었다. X선 스침각 산란 (GIXS) 방법을 사용한 X 선 회절측정과 X선 흡수 미세분광법 (XANES) 을 사용한 X선 흡수측정을 수행하였다. 측정결과 이온조사 후와 이온조사 전의 시편에 대한 GIXS 결과가 뚜렷한 차이를 보이지 않았고 XANES의 결과도 조사 전후의 차이점을 발견할 수 없었다. 따라서 이 실험으로 이 실험조건에서의 시편에 대한 조사가 어떤 결정화나 새로운 물질상태로 변화시키기에는 충분치 못한 것으로 보인다. 또한 자기적 성질변화 조사의 추가 작업으로 M-H 루프를 측정하였으며 그 결과 이온조사에 의해 M-H 루프의 형태가 변화된 것을 확인하였으나 포화자화의 변화를 발견하지 못해 시편이 어떤 형태적인 변화를 하지 않았음을 확인하였으며 추가로 실시된 TEM 실험은 이러한 사실을 재확인시켰다.
