Perpendicular magnetic anisotropy (PMA) architectures are desired to improve memory density and to overcome the thermal stability problems in spin-transfer torque magnetic random access memory. The PMA architecture typically has a smaller switching current density Jc because it is free from demagnetization fields. However, PMA materials typically have larger Gilbert damping constants than typical in-plane ferromagnetic materials, leading to larger values of Jc because Jc is proportional to the Gilbert damping constant α. Therefore, the determination of the Gilbert damping constant of PMA materials is important. Furthermore, it is widely accepted that α is closely related to the spin-orbit interaction, which is also a main source of PMA. Therefore, the relationship between the Gilbert damping and other magnetic properties has been widely investigated. In this thesis, we have been studied the relationship between the Gilbert damping and other magnetic properties, such as stack number, magneto-crystalline anisotropy, and exchange bias field, at FePt, Co/Ni multilayer, and IrMn/Cu/CoFe thin films.
We have investigated the Gilbert damping constant in ferromagnetic films using the time-resolved magneto-optical Kerr effect (TR-MOKE) system. From the spin dynamics in the L10-ordered FePt thin film is investigated by using an all-optical method. We get the resonance frequency f = 15.6 GHz and the effective Gilbert damping constant αeff = 0.156 which are 3 times and 10 times larger than the value of Permalloy.
We systematically studied the intrinsic Gilbert damping constant in perpendicular magnetic anisotropy Co/Ni multilayer system by means of an all-optical method. We find that the intrinsic Gilbert damping constant does not depend on the stack number and the perpendicular magnetic anisotropy when the magnetic field is high enough. In contrast, the extrinsic Gilbert damping is strongly correlated with the inhomogeneous anisotropy distribution in the low-field regime, as observed in magneto-optical images. Intriguingly, the extrinsic Gilbert damping is consistently reduced with decreasing length scale in the measurements, providing a concrete means to determine the intrinsic Gilbert damping.
We investigate the relationship between the Gilbert damping and the magneto-crystalline anisotropy is studied here using an all-optical method in a perpendicular Co/Ni multilayer system by varying the Ti-buffer thickness. As the Ti-buffer thickness increases, the magneto-crystalline anisotropy is enhanced. The time-resolved Kerr signal of each sample is well described by its own intrinsic Gilbert damping constant in a wide range of the external magnetic field. Interestingly, we find that Gilbert damping constants increase linearly from 0.021 to 0.036 when the magneto-crystalline anisotropy of the samples varies from 2.4 to 3.4 Merg/cm3. Such a linear relationship implies that the spin-orbit interaction is the main source of the damping process through spin-lattice relaxation in our system.
We systematically studied the Gilbert damping constant in relation to the Cu spacer thickness and the exchange bias field by using an all-optical method with varying the external magnetic field strength. In IrMn/Cu/CoFe trilayer system, the intrinsic Gilbert damping constant was found to be independent of the Cu spacer thickness and the exchange bias field. We also noted that the internal field distribution significantly affects the Gilbert damping constant as the extrinsic effect in a low external magnetic field.
수직자기이방성을 가지는 구조가 스핀전달토크형 자기저항메모리에서 메모리 소자의 밀도를 향상시키고, 열적안정의 문제를 해결하는데 많은 기대를 받고 있다. 탈자화장이 적은 이유로 이러한 수직자성물질은 자화를 역전시키는데 필요한 임계 전류가 적을 것으로 예측 되고 있다. 하지만 수직자성물질은 상대적으로 큰 감쇠 상수 값을 가지고 있다. 임계 전류 밀도와 길버트 감쇠 상수는 서로 비례하기 때문에 수평자성물질보다 자화를 역전시키는데 더 많은 양의 임계전류가 필요하다. 그래서 수직자성물질에서 감쇠 상수를 측정하는 것이 매우 중요하다. 추가로 수직자기이방성과 감쇠 상수는 스핀 궤도 결합으로 서로 연결되어 있다고 일반적으로 인식되고 있다. 그 외 여러가지 자성 물질의 성질도 스핀 궤도 결합과 연관성을 가지고 있다. 그래서 감쇠상수로 다른 자성 물질의 성질, 그 중에서도 자기이방성과의 관계는 중요하다. 이 학위논문에서는 이러한 관계를 알기 위해서 다음과 같은 물질에서 시간 분해능을 가진 커르 현미경을 이용해서 연구를 진행하였다.
우리는 이러한 FePt 자성 박막에서 세차운동을 관측하였고, 그를 통해서 감쇠 상수를 구하였다. 그 결과 주파수와 감쇠 상수 값으로 15.6 GHz와 0.156를 얻었다. 이 값은 Py보다 3배, 10배 큰 값이다.
Co/Ni 다층 박막에서 감쇠 상수와 층수, 수직자기이방성 간의 관계를 연구하였다. 외부 자기장의 세기와 각도를 변화 시켰으며 측정되는 빔의 크기를 바꾸면서 광학적인 방법으로 연구를 진행하였다. 우리가 가진 Ti 기반 층을 가진 Co/Ni 다층 박막 시료에서는 외부 자기장이 센 경우 고유 감쇠 상수는 층수와 수직자기이방성의 변화와 상관 없이 일정함을 보였다. 또한 외부 자기장이 작은 경우 자성의 불균일성이 추가적인 감쇠 현상을 일으킴을 관측하였다. 흥미롭게도 이러한 추가적인 스핀파에 또는 영위상화로 인해 보이는 감쇠 현상은 관측 영역의 변화로 제거를 할 수 있었다.
Co/Ni 다층 박막에서 자기 결정 이방성과 감쇠 상수간의 관계 또한 시간 분해능을 가진 커르 현미경을 이용하여 연구를 진행하였다. 이 때 Ti 기반 층의 두께를 변화 시켰으며, 이 변화에 의해서 자기 결정 이방성이 결정이 좋아져서 변하였다. 그리고 이것은 감쇠 상수에 영향을 주었다. 우리는 자기 결정 이방성과 감쇠 상수가 선형적 비례 관계를 가지고 있음을 알아냈다. 이것은 자기 결정 이방성과 감쇠 상수 둘 다 스핀 궤도 결합의 제곱에 연결되어 있기 때문이다. 이러한 둘의 관계는 스핀전달토크형 자기저항메모리를 실현 가능하게 만들 정도의 임계전류밀도의 조절에 자기 결정 이방성이 중요한 역할을 할 것을 시사한다.
Cu 중간층의 두께와 교환 자기장의 세기하고 감쇠 상수 간의 관계를 광학 적인 방법으로 연구하였다. IrMn/cu/CoFe로 3개의 층을 가진 시료에서 감쇠 상수는 Cu 중간 층의 두께 그리고 교환 자기장의 세기와 상관이 없음을 알아냈다. 또한 낮은 자기장에서 내부 자기장의 불균일성에 의해 추가적인 외적 감쇠 현상이 일어남을 알아냈다.
