Recent advances in memory device technology have achieved nanometer-scaled magnetoresistive random access memory (MRAM) development for breaking down the conventional charge based memory technology. Spin-based MRAM device ensures many advantages such as fast operation, low power consumption, and non-volatile storage that many scientists have tried to map new type of MRAM device out for enhancing degree of integration and commercialization. In this procedure, control of magnetic anisotropy in ferromagnetic layer is key technique.
However, understanding of magnetic anisotropy induced magnetic domain structure evolution in nanometer-scaled ferromagnetic layer is difficult due to extremely small sizes. Therefore, microscopy based technique is inevitable to look into the internal phenomena in nano-scaled magnetism. Among many types of microscopy for imaging magnetic structure, Lorentz transmission electron microscopy (Loretnz TEM) is most powerful microscopy because of both provision in structural information and magnetic domain information. Lorentz TEM also provides systematic study of dynamical magnetic phenomena in nano-scale under mechanical strain, thermal environment, etc.
In this thesis, magnetic anisotropy effects on magnetic domain structure evolution was sequentially studied by Lorentz TEM. First, Fe-based bulk amorphous ferromagnetic material was analyzed due to easiness of interpretation. Lack of magnetocrystalline anisotropy in bulk amorphous ferromagnet enables similar magnetic anisotropy effect with nano-scaled material. Secondly, self-assembled $BiFeO_3$-$CoFe_2O_4$ thin film system showing distinctive geometrical shape in ferrimagnetic $CoFe_2O_4$ islands was studied. Both unusual shape of pillars and expected complicated strain state in $CoFe_2O_4$ islands enabled systematic study in shape or strain anisotropy induced magnetic domain structure evolution in nano-scale. This study will contribute the fundamental study of magnetic phenomena in nano-scale and also give helpful information in real device construction.
최근 메모리 소자 기술 개발에 있어서, 전하 기반의 전통적인 메모리 소자를 넘어서 나노 단위의 자기저항 메모리 개발이 많이 이루어 지고 있다. 스핀을 기반으로 한 자기저항 메모리의 경우 빠른 처리 속도와 저전력 소비, 그리고 비휘발성의 저장 방법등의 다양한 장점들을 제공하고 있으며, 따라서 많은 과학자들이 고 집적도와 직접적인 상용화를 위해서 다양한 형태의 자기저항 메모리를 만들기 위한 시도들을 하고 있다. 이러한 과정에서는 강자성체 층에서의 자기 이방성에 대한 이해가 필수 불가결하다.
그러나, 자기 이방성에 의한 자구 발달 현상은 나노 단위에서의 강자성체 층에서는 굉장히 미세한 크기 때문에 직접적으로 이해하기가 어렵다. 그러므로, 나노 단위에서의 자기 현상을 관찰할 수 있는 현미경 기반의 기술이 요구된다. 여러가지 형태의 자기 관찰 현미경 중에서, 로렌츠 투과전자현미경의 경우 가장 강력한 기술로써 결정 구조적인 정보와 자기 구조의 정보를 동시에 얻어낼 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한, 기계적인 응력이나 열이 가해지는 환경내 등 동적 환경에서의 자구 관찰 또한 가능하다는 장점이 있다.
본 학위 논문에서는 로렌츠 투과전자현미경을 통해 자기 이방성에 따른 자구 발달이 순차적으로 연구되었다. 우선, 철 기반의 벌크 비정질 강자성체가 해석의 용이함 때문에 가장 먼저 분석 되었다. 비정질의 특징으로 인한 결정자기이방성의 부재는 나노 단위에서의 자기 이방성 효과와 비슷한 환경을 제공할 수 있게 된다. 두번째로는 자기 조립된 비스무스 계 페라이트와 코발트 계 페라이트 박막 시스템 에서의 자기 구조의 분석이 이루어졌다. 페리 자성을 띄는 독특한 형태의 기지로부터 독립된 코발트 계 페라이트의 경우 그 모양으로 인한 이방성과 박막 시스템으로부터 예상되는 페라이트 내부의 변형 이방성 모두의 효과를 관찰 가능하게 한다. 이러한 연구는 나노 단위 자기 현상에의 기초적인 이해와 더불어 실제 소자 구축에도 큰 도움을 줄 수 있을 것이라 생각된다.
