Study on magnetoelectric coupling in ferromagnetic/ferroelectric heterostructures = 강자성체/강유전체 헤테로 시스템의 전기자기적 결합현상에 대한 연구
서명 / 저자 Study on magnetoelectric coupling in ferromagnetic/ferroelectric heterostructures = 강자성체/강유전체 헤테로 시스템의 전기자기적 결합현상에 대한 연구 / Ju-Hyun Kim.
저자명 Kim, Ju-Hyun ; 김주현
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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DPH 11003







Multiferroic materials have drawn increasing interest due to their abundant physics and potential for application. In multiferroic materials, the coupling interaction between the ferroelectric and ferromagnetic ordering could make new effect, called magnetoelectric (ME) effect. Magnetoelectric effect is defined as polarization P of a sample in an external magnetic field H (direct effect) or a variation of a sample magnetization M in an external electric field E (converse effect). There is lots of intensive study and widely investigated compound materials for searching proper ME materials. Despite of such constant efforts, their ME coupling is usually weak and only exist far below room temperature. It hinders their promising applica-tion On the other hand, strain-mediated indirect magnetoelectric coupling through combination of separately well defined ferromagnetic and ferroelectric material is considered. It called ME composites, which is made by combination of piezoelectric and ferromagnetic materials. This scenario may be realized via strain-induced spin reorientation transitions (SRTs) in FM layers.Especially, thin film ME heterostructures could permit precise magnetielectric study, because layer thickness and interfacial roughness may be controlled accurately. And also ferroelectric layers like PZT and PMN-PT can generate strains up to 1%. The ME effect in composite materials can be understood by the interplay between the inverse piezoelectric effect of the FE layer and the inverse magnetostrictive effect of the FM layer. That is, for the ME (CME) effect, when a magnetic field (electric field) is applied to a composite, the ferromagnetic phase(the piezoelectric phase) change its shape magnetostictively(piezoelectrictively). The stain is then passed along to the piezoelectric phase(ferromagnetic phase), resulting in an electric polarization(change of magnetizartion). Thus, the ME (CME) effect in composite is extrinsic, depending in the composite microstructure and coupling interaction across magnetic-piezoelectric interfaces. I have studied about thin film ME heterostructures. It is demonstrated control of PMA in FM films by applying electric field. To investigate role of magnetoelastic coupling in FM/FE heterostructure, TbDyFe, TbFe, and CoPd alloy films with perpendicular magnetic anisotropy are deposited on piezoelectric Pb$(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3$-$PbTiO_3$ (PMN-PT) single crystal substrates. The (001)-oriented PMN-PT substrates have a thickness of 300 um and a piezoelectric constant measured to be $d_{33}$ = 1480 pm/V. Terfenol-D and TbFe films are known as highest positive magnetostrictive material with order of $10^{-3}$. And CoPd is known as highest negative magnetostrictive material with order of $10^{-4}$. Considering the fact that the strain hysteresis curve of PMN-PT substrate shows well-known butterfly shape, the change of magnetic anisotropy of these ferromagnetic film must be due to stress from PMN-PT substrate. This change in magnetoelastic energy is the major source of ME effect in heterostructure. When voltage is increased, PMN-PT substrate produces compressive stress. As a result, perpendicular magnetic anisotropy (PMA) of Terfenol-D and TbFe films is increased. On the other hand, PMA of CoPd film is decreased. The opposite change in magnetic properties in Terfenol-D and CoPd alloy can be explained by the sign of the magnetoelastic coupling coefficient B1. We clearly observed that FM film with positive magnetostriction value increase PMA and FM film with negative magnetostriction value decrease PMA under biaxial compressive stress. The strength of the CME coupling is also very important for useful device applications. The coupling strength is described by the magnetoelectric coupling constant α, which is the ratio between the change in magnetization and the applied electric field. Pertsev has theoretically predicted giant CME effect in a number of FM films with the largest value of $α_{max}$ = 1.86 × $10^{-6}$ s/m in films of $Ni.^{30}$ However, the largest value of α so far reported in epitaxial films of $La_{0.67}Sr_{0.33}MO_3$ deposited on a single-crystal of $BTO^{43}$ is about a hundred times smaller with α = 2.2 × $10^{-8}$ s/m and 2.3 × $10^{-7}$ s/m at room and low temperature, respectively. It should be possible to find larger CME by using highly magnetostrictive FM materials in combination with highly pie-zoelectric FE materials. To investigate the dependence of the CME on λ and c, a series of samples were prepared with different compositions, namely, $Co_{0.18}Pd_{0.82}$, $Co_{0.22}Pd_{0.78}$, and $Co_{0.25}Pd_{0.75}$ and thicknesses of 10, 20, and 30 nm. Polar Kerr hysteresis loops for these samples are measured at electric fields E of zero and 16 kV/cm. Then, we have demonstrated a giant CME coupling constant of α = 8.0×$10^{-7}$ s/m at room tempera-ture by developing a novel combination of a highly magnetostrictive ferromagnetic CoPd alloy film coupled with a highly piezoelectric PMN-PT substrate. The reversible tuning of the perpendicular magnetic anisotropy of the CoPd films with electric field was demonstrated. We believe that this result is an important step toward realization of the control of magnetization with electric field at room temperature. Lastly, time-resolved pump-probe measurement under the electric field has been performed. It is clearly seen that spin precessional signal of CoPd film is changed with varying the applied electric field. The change of the precessional frequency $\Delta$f=0.8 GHz is achieved at external magnetic field of 4.4 kOe and ap-plied electric field of 16 kV/cm. Further, it is observed that the precessional frequency increases as the electric field increases. It can be explained that free energy model and Kittel equation. The reduced perpendicular magnetic anisotropy of CoPd through the negative magnetoelastic coupling of the compressive stress-induced is origin of the increasement of precessional frequency of CoPd film. This large change of precessional frequency is realized through strong ME interaction in CoPd/PMN-PT heterostructure. Strong ME interaction and giant electrocstatically tunable resonance frequency in CoPd/PMN-PT heterostructure could give great candidates for applications in electrostatically tunable microwave multiferroic devices.

강자성체/강유전체 헤테로 시스템은 상온에서 전기장을 이용한 자성 특성의 조절을 가능케 한다. 이러한 전기자기적 결합 현상을 이용하면 electrical writing magnetic reading memory 소자, electrostatically tunable microwave device등을 구현 할 수 있고, 이러한 기기들은 현재 사용되고 있는 기기들에 비해 저전력, 국소화 설계를 가능케 한다는 장점이 있다. 강한 전기자기적 결합효과의 구현이 강자성체/강유전체 헤테로 시스템의 응용을 위한 필수 요소이다. 본 연구에서는 강자성체/강유전체 헤테로 시스템에서의 물리적 원인을 규명하고, 큰 전기자기적 결합현상을 나타내는 시스템을 구현하였으며, 또한 이러한 전기자기적 결합현상을 통하여 스핀세차운동의 주파수를 조절할 수 있음을 보였다. 300 um 두께의PMN-PT 단결정 기판에 Terfnol-D, TbFe, CoPd의 얇은 박막을 증착하여 전기자기적 결합현상에 대해서 조사하였다. 스퍼터링 방법으로 박막을 증착하였고, 광자기 현상(MOKE)을 이용하여 전기장을 인가하였을 때의 자성특성변화를 측정하였다. Terfnol-D, TbFe, CoPd 박막 모두 수직자성이방성 (PMA)을 가진다. 전기장을 인가하였을 때, Terfenol-D와 TbFe 박막에서는 PMA가 증가하는 반면 CoPd 박막에서는 PMA가 감소하는 것을 관측하였다. CoPd/PMN-PT 헤테로 시스템에 전기장을 인가하면 PMN-PT 단결정 기판에서 수축응력이 발생하고, 이러한 응력이 강자성체 박막의 magnetoelastic 에너지를 변화시킨다. 이때 Terfenol-D와 TbFe박막은 양의 자왜계수를 가지는 물질이고, CoPd는 음의 자왜계수를 가지는 물질이어서 이러한 수축응력에 대해서 수직자성이방성 에너지가 변화하는 방향이 반대로 나타난다. 양의 전기장과 음의 전기장을 인가하였을 때 자기적 특성의 변화가 대칭적으로 나타나고, 양의 자왜계수와 음의 자왜계수를 가지는 물질에서 전기자기적 효과가 반대로 나타나는 것으로 보아 강자성체/강유전체 헤테로 시스에서의 전기자기적 결합의 주요원인은 전기장을 인가하였을 때 발생하는 응력에 의한 강유전체 박막의 magnetoelastic 에너지의 변화라고 할 수있다. 강자성체/강유전체 헤테로 시스템의 응용을 위해서는 전기자기적 결합도를 높이는 것이 중요하다. 전기자기적 결합도를 결정하는 요인으로는 강자성체의 자왜계수, 강유전체의 전왜계수, 그리고 박막의 두께가 있다. 본 연구에서는 CoPd/PMN-PT 헤테로 시스템에서 CoPd의 두께와 조성을 변화시키면서 전기장을 인가하였을 때 전기자기적 결합현상에 대해서 조사하였다. 그 결과 10 nm 두께의 $Co_{0.25}Pd_{0.75}$/PMN-PT 샘플에서 converse magnetoelectric constant, α = 8.0×$10^{-7}$ s/m의 값을 얻을 수 있었다. 이는 CoPd 합금박막에서 co의 비율이 25%일 때 가장 큰 자왜계수를 가진다는 보고와 일치하고, 박막의 두께가 작을수록 전기자기적 결합효과가 클 것이라는 예상에 부합한다. 이는 큰 전왜계수를 가지는 강유전체와 큰 자왜계수를 가지는 강자성체의 조합이 α = 8.0×$10^{-7}$ s/m 의 큰 converse magnetoelectric constant를 구현할 수 있게 했으며, 이는 지금까지 보고된 결과들 중에서 가장 큰 값이다. 이렇게 큰 전기자기적 결합현상을 보이는 CoPd/PMN-PT 헤테로 구조에 전기장을 인가하였을 때 강자성체 공명주파수의 변화를 관측하였다. Femto초($10^{-15}$ s) 분해능을 가진 광자기 분광계를 사용하였고, 박막의 수직방향에 대해서 72도의 각도로 각각2.5 kOe, 3.5 kOe, 4.4 kOe를 인가하였을 때, 스핀의 세차운동을 관측할 수 있었다. 이 때 전기장을 인가하면 스핀 세차운동의 주파수가 변화하게 되고, 전기장의 세기가 증가 할수록 스핀 세차운동의 주파수도 증가함을 측정 하였다. 4.4 kOe의 외부자기장을 인가하였을 때, 16 kV/cm 의 전기장을 인가하면 12.7GHz에서 13.5 GHz로 약 0.8GHz의 공명 주파수를 변화시킬 수 있다. 자유에너지 모델과 Kittel 식을 통한 계산 값과 실제 측정값이 일치하는 것으로부터 전기장이 증가하면 PMN-PT 단결정에서 발생하는 수축응력이 CoPd 합금박막의 수직자기이방성 에너지를 감소시키는 것이 스핀세차운동의 주파수 변화의 주요 원인임을 확인하였다.


청구기호 {DPH 11003
형태사항 vi, 55 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김주현
지도교수의 영문표기 : Sung-Chul Shin
지도교수의 한글표기 : 신성철
수록잡지명 : "Effect of an electric field-induced stress on the magnetic properties of amorphous Terfenol-D films deposited on PMN-PT single crystal substrates". Phys.Stat.Sol.(a), v. 204, no. 12, pp. 4202-4205(2007)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 References : p. 46-50
주제 magnetoelectric effect
ferromagnetic resonance
magneto optical Kerr effect
전자기적 결합현상
강자성체 공명현상
광자기 커 효과
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