Recently, interest in ferromagnetic thin films has grown rapidly motivated by a search for new magnetic materials of technological interest and by their novel magnetic properties. Magnetic domain configurations and domain dynamics in ultrathin ferromagnetic films and multilayers are of fundamental interests, because the nature of domain and domain dynamics in these systems plays a key role in determining their properties such as the domain formation and the magnetization reversal. In this study, we have investigated the magnetic domain configurations and domain dynamics of the Co/Pd multilayered system.
To study the magnetic domain dynamics in magnetic thin films, we have developed a high-performance Kerr microscopic system capable of real-time domain observation with the spatial resolution of 0.3 ㎛ and the Kerr angle resolution of 0.2°at ×1,000 magnification.
Serial samples of ($t_{Co}-Co/t_{Pd}-Pd)_n$ multilayers have been fabricated by e-beam evaporation with varying the multilayered structure. The magnetic and magnetooptic properties of these samples have been examined by measuring the Kerr hysteresis loops.
The generalized domain configurations in ferromagnetic multilayered system have been investigated by considering the magnetostatic energy in multilayered structure. The theory predicts a sharp transition from a large-areal domain pattern to a striped domain configuration with increasing the magnetic layer thickness. This transition was verified experimentally by direct magnetic domain observation in Co/Pd multilayers. On the other hand, we present a generic formalism for an accurate numerical calculation of the magnetic dipolar energy in an arbitrarily shaped ferromagnet uniformly magnetized. The theory predicts the reduction of the magnetostatic energy in thin films having the rough surfaces.
We have studied the origins for the contrastive magnetization reversal behavior in thin ferromagnetic films. The magnetization reversal and domain dynamics of the Co/Pd multilayered system has been experimentally investigated by both magnetization viscosity measurements and direct domain observations. The wall-motion speed and the nucleation probability of the Co/Pd multilayered system have been quantitatively determined by appling a new analysis method based on the time-dependent domain patterns. Interestingly enough, reversal phenomena in this system were found to be strongly dependent on the multilayered structure. The contrastive change in reversal behavior from wall-motion dominant process and nucleation dominant process has been observed with increasing both the Co-sublayer thickness and the number of repeats. The nanomagnetic simulation revealed that the contrasting reversal behavior with varying the Co-sublayer thickness is found to be ascribed to the different magnetic properties. However, the contrasting reversal behavior with varying the number of repeats is found to occur by the wall-pinning effect due to the structural irregularity evidenced by the local hysteresis variation. Thus, we conclude that both the magnetic and structural properties of the magnetic films are responsible for the contrasting magnetization reversal behavior.
최근, 진공기술 및 시료제작기술의 개발과 자성응용분야의 발달로 인해 자성박막에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 자성박막에 존재하는 자기구역의 형상 및 동력학은, 자성박막의 학문적 연구와 응용기술 개발의 핵심을 제공하는 매우 중요한 분야의 하나로서, 크게 관심이 고조되고 있다. 본 연구에서는 Co/Pd 다층박막에서의 자기구역의 형상 및 자기구역 동력학을 연구하였다.
이 연구를 위하여 고성능 광자기 Kerr 현미경 시스템을 직접 설계 및 제작하였고, 제작된 장비를 이용하여 자성박막에 존재하는 자기구역의 형상 및 자기구역 동력학을 관찰하였다. 이 장비는 1,000배의 배율에서 0.3 ㎛의 공간분해능을 가지며 실시간 자기구역 영상을 CCD 카메라를 통해 컴퓨터에 저장함으로써, 자기구역 거동현상을 관찰할 수 있다.
전자빔 진공증착 시스템을 사용하여, Co층의 두께와 Pd층의 두께, 그리고 전체 층수가 변화하는 일련의 Co/Pd 다층박막 시료를 제작하였다. 제작된 모든 시료가 명목두께에 대하여 4 %의 정밀도로 제작되었음을 확인하였고, 제작된 시료의 자기 및 광자기 성질은 자기이력곡선 등의 측정을 통해 고찰하였다.
자성다층박막에 존재하는 자기구역의 형상을 이론적으로 예측하기 위하여, 다층박막 구조에서의 정자기 에너지를 일반적으로 계산할 수 있는 이론을 유도하였다. 이 이론을 통해 다층박막의 자성층의 두께가 두꺼워짐에 따라, 자기구역의 형상이 단일 자기구역 형상에서 줄무늬 자기구역 형상으로 천이함을 예측할 수 있었고, 이러한 자기구역 천이현상을 Co/Pd 다층박막에서 실험적으로 관찰하였다. 또한, 임의구조 자성체에서의 정자기에너지 계산이론을 유도함으로써, 거친 표면을 갖는 자성박막에서의 정자기 에너지를 계산하였다. 이 이론을 통하여, 자성박막의 표면이 거칠어질수록 자성박막의 정자기 에너지가 감소함을 정량적으로 예측할 수 있었다.
자기구역 거동현상의 관찰 및 분석기술을 개발하여, Co/Pd 다층박막의 자화역전현상을 실험적으로 연구하였다. 자화점성곡선의 측정기술 및 실시간 자구관찰기술 개발을 통하여 Co/Pd 다층박막의 자화역전현상을 관찰하였고, 새로운 자구동력학 정량분석기술을 개발하여 Co/Pd 다층박막에 적용함으로써 자화역전의 자구벽 이동속도와 핵형성 확률을 각각 정량적으로 구하였다. 이러한 관찰 및 분석기술을 통하여, Co/Pd 다층박막의 층구조에 따라 대조적인 자화역전현상이 존재함을 관찰하였다. 이러한 대조적인 자화역전현상을 결정짓는 요인을 연구하기 위해서 나노자성학 이론을 이용한 자화역전모델을 개발하였으며, 이를 통하여 자성박막의 거시적 자기성질에 의해 이러한 대조적인 자화역전현상이 결정될 수 있음을 설명하였다. 또한, 미시적 자기이력곡선 측정을 통하여 자성박막구조에 따른 국소적인 구조불균일성을 관찰하였고, 이러한 구조불균일성 또한 대조적인 자화역전현상을 결정하는 큰 요인임을 논의하였다.
