Recently, a manipulation of magnetization by in-plane current utilizing spin-orbit coupling in heavy metal / ferromagnet bilayer structures has been receiving a great deal of attention due to its possible applications in spintronic devices. However, ferromagnetic materials are not only sensitive to the external magnetic field but also they are known to produce stray fields, which are likely to cause crosstalk issues. In addition, since the magnetization dynamics of the ferromagnetic material is known to be slower than that of the antiferromagnetic material, it is important to overcome these problems in order to realize high density, high performance device.
In this thesis, I propose a new scheme for solving these problems by using a structure containing a rare earth-transition metal ferrimagnetic alloy in which the magnetic moments are aligned in opposite directions. First, the spin-orbit torque property in structure containing ferrimagnetic alloy was evaluated and it was confirmed that the spin-orbit torque was greatly enhanced in the vicinity of the magnetization compensation point, which is the point at which the magnetic moments of the rare earth and the transition metal are canceled out resulting in zero magnetization, regardless of the bottom heavy metal layer. Moreover, it was also found that the spin-orbit torque itself occurs in the ferrimagnet single layer without bottom heavy metal layer. Finally, in order to control the magnetic properties of the ferrimagnet, electric field was applied on the ferrimagnet and it was confirmed that the magnetic properties were successfully controlled through electric field application by measuring the change in the transport properties with respect to the gating voltages.
최근 비자성/강자성 이종 구조에 전류를 인가하면 그 계면에서의 스핀-궤도 상호작용에 의해 토크가 발생하고, 그로 인해 자화의 방향을 제어하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 강자성 물질은 본질적으로 외부 자기장의 영향을 받을 뿐만 아니라 주변에 표유 자계를 발생시키기 때문에 소자에 적용 시 소자의 집적도 향상 측면에서 단점으로 작용할 수 있다. 또한 자기 모멘트가 서로 반평행하게 정렬되어있는 다른 자성 물질들에 비해 자화가 상대적으로 천천히 움직인다고 알려져 있어 실제 고집적 고성능 소자를 구현하기 위해서는 이러한 문제점들을 해결할 필요가 있다.
본 논문에서는 이러한 문제점들에 대한 해결책으로 자기 모멘트의 방향이 서로 반대방향으로 정렬되어 있는 희토류-전이 금속 합금 준강자성체를 포함한 구조를 이용하는 새로운 방안을 제시하였고 실제 준강자성체를 포함한 구조에서 스핀-궤도 토크가 어떻게 나오는지 알아보기 위해 스핀-궤도 토크 특성을 평가하였다. 이 때 하부층의 유무와는 상관없이 희토류 및 전이 금속의 자기 모멘트가 상쇄되는 지점인 자기 모멘트 보상점에서 스핀-궤도 토크가 매우 크게 증대되는 것을 확인할 수 있었고 이 외에 하부층이 없는 준강자성체 단일층에서도 자체적으로 스핀-궤도 토크가 발생하는 것 또한 발견할 수 있었다. 마지막으로 준강자성체가 갖는 자기적 특성을 제어하기 위해 준강자성체에 전계를 인가하여 자기적 특성을 제어하는 실험을 진행하였고 실제로 전계를 이용하여 자기적 특성 제어가 가능하다는 사실을 전계에 따른 수송 특성의 변화를 통해 입증하였다.
