JP2019190836A - 磁気異方性評価装置、磁気異方性評価方法および演算機構 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、
Ku1:磁気異方性エネルギーの第1成分(第1次成分)
Ku2:磁気異方性エネルギーの第2成分(第2次成分)
θM:磁化容易軸と磁化のなす角
なお、磁気トルクとは、試料に磁界を印加して試料が磁化した時に、その内部磁化が磁界方向に向く。つまり、磁化容易方向が磁界の方向に向こうとして、試料に働く回転力である。また、磁気トルク曲線とは磁界方向(磁界角度)と磁気トルクの関係である。
ここで、
H:磁界強度
Ms:飽和磁化
θH:磁界角度 換言すると、印加する磁界の角度
θM:磁化角度 換言すると、磁化容易軸と磁化方向のなす角
ホール抵抗は、後述する式(3)に示されるように、正常ホール効果(NHE)の成分や異常ホール効果(AHE)の成分などの成分によって表すことができる。これら成分を後述する方法によって求め、磁化角θMを求めることができる。
ここで、
R0 NHE : θH=0で測定したホール抵抗から得られるNHE成分
R0 AHE : θH=0で測定したホール抵抗から得られるAHE成分
R0 MR: MR(磁気抵抗)成分
R0 B : バックグラウンド抵抗、この抵抗は下地層や配線などの抵抗を示す。
θM :磁化容易軸4と磁化方向5のなす角
(R(θH)−R(180−θH))/2=R0 NHEHcosθH+R0 AHEcosθM 式(4)
を得ることができる。図4(b)は、正常ホール抵抗RNHEおよび異常ホール抵抗RAHEの磁界角度依存曲線の一例を示している。ここで、MR成分が消去されるのは、磁界角度に対する対称性から、磁界角度θHと180−θHでのθMは等しいためである。また、バックグラウンド抵抗は磁場角度に依存せず、一定であるためである。
(R(H)−R(-H))/2=R0 NHEH+R0 AHE 式(5)
を計算する。そして、θH=0°のときは、磁化角度θMは0°であるため、cosθM は1となる。図5は磁界強度依存曲線の一例を示している。このとき、上述したように、磁界角度に対する対称性から、MR成分、バックグラウンド成分は除去されている。
ここで、
θM=cos-1(((R(θH)−R(180−θH))/2−R0 NHEHcosθH)/R0 AHE) 式(8)
次に、全磁気異方性定数Kuを磁気異方性エネルギーの関係式(式(10))で算出する。
2 ホールセンサ
3 試料
4 磁化容易軸
5 磁化方向
6 磁界方向
7a、7b 電流端子
8a、8b 電圧端子
9 サンプルロッド
10 物理特性測定装置
11 コントローラ
12 演算装置
13 直流電源
14 電圧測定器
15 電磁石
100 磁気異方性評価装置
Claims (31)
- 平坦な平面を有する薄膜の磁性体のホール抵抗を測定する機構と、
前記磁性体に磁界を印加する機構と、
前記磁性体のホール抵抗の印加磁界角度依存性から、磁気トルク曲線を演算する第1の演算と、
前記演算した磁気トルク曲線から磁気異方性定数を演算するための第2の演算する機構と、
を備えたことを特徴とする磁気異方性評価装置。 - 前記第1の演算では、前記磁性体のホール抵抗の印加磁界角度依存性に基づいて、磁化角度の磁界角度依存性を演算し、該磁化角度の磁界角度依存性から前記磁気トルク曲線を演算することを特徴とする請求項1に記載の磁気異方性評価装置。
- 前記磁性体の平面に対する磁界の印加方向である磁界角度を変えることができる機構と、
前記磁性体の平面に対する磁界の印加強度である磁界強度を変えることができる機構と、
をさらに備え、
前記磁界角度を変える機構によって磁界角度を変えながら、前記磁界を印加する機構によって前記磁性体に磁界を印加したときに前記測定する機構によって測定されるホール抵抗に基づいて、前記ホール抵抗の印加磁界角度依存性を求め、
前記磁界強度を変える機構によって磁界強度を変えながら、前記磁界を印加する機構によって前記磁性体に磁界を印加したときに前記測定する機構によって測定されるホール抵抗に基づいて得られるホール抵抗の印加磁界強度依存性と、前記ホール抵抗の印加磁界角度依存性と、に基づいて、前記磁化角度の印加磁界角度依存性を求めることを特徴とする請求項2に記載の磁気異方性評価装置。 - 前記ホール抵抗を測定する機構は、前記磁性体の表面に取り付けた電流端子および電圧端子と、前記電流端子と電気的に接続する直流電源と、前記電圧端子と電気的に接続する電圧計と、を備えたことを特徴とする請求項1乃至3いずれか一項に記載の磁気異方性評価装置。
- 前記磁性体の平面と前記磁界の印加方向とがなす磁界角度を測定する機構を備えたことを特徴とする請求項1乃至4に記載のいずれか一項に記載の磁気異方性評価装置。
- 前記磁界角度を測定する機構は、
前記磁性体の近傍で、前記磁性体の平面と略同一平面に配置したホールセンサと、
前記ホールセンサの電流端子と電気的に接続する直流電源と、
前記ホールセンサの電圧端子と電気的に接続する電圧測定器と、を備えたことを
特徴とする請求項5に記載の磁気異方性評価装置。 - 前記磁界を前記ホールセンサで読み取り、印加磁界強度と読み取り磁界強度の比較から前記磁界の印加方向を測定する角度測定機構を備えた請求項6に記載の磁気異方性評価装置。
- 前記磁性体の電気抵抗の印加磁界角度依存性を解析し、電気抵抗が最大値をとる印加磁界角度が磁化容易軸と一致することを利用して、前記ホールセンサの磁界測定方向と磁性体の磁化容易軸のずれを補正する機構を有する請求項7に記載の磁気異方性評価装置。
- 前記第1の演算は、前記磁性体のホール抵抗の印加磁界角度依存曲線を、
角度を反転し重ね合わせ、正常ホール抵抗成分及び異常ホール抵抗成分を代入する演算であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気異方性評価装置。 - 前記正常ホール抵抗成分及び前記異常ホール抵抗成分は、磁界角度を0°として、前記ホール抵抗の磁界強度依存曲線を、磁界強度を反転し重ね合わせ、その反転重ね合わせ曲線により演算されることを特徴とする請求項9に記載の磁気異方性評価装置。
- 0°から180°の前記磁界角度θHに対するホール抵抗を測定し、θH=0°として、前記ホール抵抗の磁界強度依存性を測定する電圧測定器と、
異常ホール抵抗成分の印加磁界角度依存性を用いて、前記磁化容易軸と磁化方向とのなす角度θMを求め、前記角度θMを用いて前記磁気トルク曲線を求めるための前記演算する機構とを有する請求項8に記載の磁気異方性評価装置。 - 前記磁性体のホール抵抗の磁界角度依存曲線は、前記ホール抵抗の測定値をR(θH)、θH=0で測定した前記ホール抵抗から得られる正常ホール抵抗成分、異常ホール抵抗成分を、それぞれ、R0 NHE、R0 AHE、及び磁界の印加磁界Hを用い、以下の式(a)によって表され、
(R(θH)−R(180−θH))/2=R0 NHEHcosθH+R0 AHEcosθM 式(a)
磁化角度の磁界強度依存性は、以下の(式(b)によって表され、
(R(θH)−R(180−θH))/2=R0 NHEH+R0 AHEcosθM 式(b)
前記磁気トルク曲線Tは、自発磁化をMsとすると、以下の式(c)によって表され、
T=HMssin(θH−θM) 式(c)
であることを特徴とする請求項11に記載の磁気異方性評価装置。 - 前記第2の演算は、前記磁気トルク曲線をsin2θ成分とsin4θ成分でフィッティングし、
前記磁気異方性定数の第1次成分と第2次成分を導出し、
前記磁気異方性定数を算出する演算であることを特徴とする請求項1に記載の磁気異方性評価装置。 - 前記第1次成分であるKu1及び前記第2次成分であるKu2を、以下の式(d)から算出し、
T=−(Ku1+Ku2)sin2θM+(Ku2/2)sin4θM 式(d)
前記磁気異方性定数であるKuを、以下の式(e)から算出することを特徴とする請求項13に記載の磁気異方性評価装置。
Ku=Ku1+Ku2+2Ms 2 式(e) - 前記磁性体の膜厚は、1nm以上20nm未満であることを特徴とする請求項1乃至14いずれか一項に記載の磁気異方性評価装置。
- 平坦な平面を有する薄膜の磁性体のホール抵抗を測定するステップと、
前記磁性体に磁界を印加するステップと、
前記磁性体のホール抵抗の印加磁界角度依存性から、磁気トルク曲線を演算するステップ、及び
前記演算した磁気トルク曲線から磁気異方性定数を演算するするステップと、
を備えたことを特徴とする磁気異方性評価方法。 - 前記磁気トルク曲線の演算では、前記磁性体のホール抵抗の印加磁界角度依存性に基づいて、磁化角度の磁界角度依存性を演算し、該磁化角度の磁界角度依存性からトルク曲線を演算することを特徴とする請求項16に記載の磁気異方性評価方法。
- 前記磁性体の平面に対する磁界の印加方向である磁界角度を変えることができる手段と、
前記磁性体の平面に対する磁界の印加強度である磁界強度を変えることができる手段と、
をさらに備え、
前記磁界角度を変える機構によって磁界角度を変えながら、前記磁界を印加する機構によって前記磁性体に磁界を印加したときに前記測定する機構によって測定されるホール抵抗に基づいて、前記ホール抵抗の印加磁界角度依存性を求め、
前記磁界強度を変える機構によって磁界強度を変えながら、前記磁界を印加する機構によって前記磁性体に磁界を印加したときに前記測定する機構によって測定されるホール抵抗に基づいて得られるホール抵抗の印加磁界強度依存性と、前記ホール抵抗の印加磁界角度依存性と、に基づいて、前記磁化角度の印加磁界角度依存性を求めることを特徴とする請求項17に記載の磁気異方性評価方法。 - 前記ホール抵抗の測定は、前記磁性体の表面に取り付けた電流端子および電圧端子と、前記電流端子と電気的に接続する直流電源と、前記電圧端子と電気的に接続する電圧測定器により行われることを特徴とする請求項16乃至請求項18のいずれか一項に記載の磁気異方性評価方法。
- 前記磁性体のホール抵抗の磁界角度依存曲線の測定は、前記磁性体の近傍で、前記磁性体の平面と略同一平面に配置したホールセンサと、前記ホールセンサの電流端子と電気的に接続する直流電源と、前記ホールセンサの電圧端子と電気的に接続する電圧測定器とにより行われることを特徴とする請求項16又は請求項19のいずれか一項に記載の磁気異方性評価方法。
- 前記磁気トルク曲線から前記磁気異方性定数を演算する工程において、前記磁性体の磁気異方性を評価する手段として、前記磁気トルク曲線によるフィッティングを用いることを特徴とする請求項16乃至請求項20のいずれか一項に記載の磁気異方性評価方法。
- 前記磁性体のホール抵抗の磁界角度依存曲線を測定する工程において、前記磁界を印加する機構から印加される磁界をホールセンサで読み取り、印加磁界強度と読み取り磁界強度の比較から前記磁界の印加方向を測定する角度測定手法を備えることを特徴とする請求項21に記載の磁気異方性評価方法。
- 前記磁性体のホール抵抗の磁界角度依存曲線を測定する工程において、前記磁性体の電気抵抗の印加磁界角度依存性を解析し、前記ホールセンサの磁界測定方向と磁性体の磁化容易軸のずれを補正することを特徴とする請求項22に記載の磁気異方性評価方法。
- 前記磁気トルク曲線の演算は、前記磁性体のホール抵抗の印加磁界角度依存性曲線を、
角度を反転し重ね合わせ、正常ホール抵抗成分及び異常ホール抵抗成分を代入する演算であることを特徴とする請求項16乃至23のいずれか一項に記載の磁気異方性評価方法。 - 前記正常ホール抵抗成分及び前記異常ホール抵抗成分は、磁界角度を0°として、前記ホール抵抗の磁界強度依存性曲線を、磁界強度を反転し重ね合わせ、その反転重ね合わせ曲線により演算されることを特徴とする請求項24に記載の磁気異方性評価方法。
- 印加磁界角度依存曲線を測定するときに、0°から180°の磁界角度θHに対するホール抵抗を測定し、
正常ホール抵抗成分と異常ホール抵抗成分を演算するときに、θH=0°として、前記ホール抵抗の磁界強度依存性を測定し、
前記印加磁界角度依存曲線を演算するときに、前記異常ホール抵抗成分の印加磁界角度依存性を用いて、前記磁化容易軸と磁化方向とのなす角度θMを求め、
前記磁気トルク曲線を演算するときに、前記角度θMを用いて前記磁気トルク曲線を求める請求項23に記載の磁気異方性評価方法。 - 前記ホール抵抗の磁界角度依存曲線は、前記ホール抵抗の測定値をR(θH)、θH=0で測定した前記ホール抵抗から得られる前記正常ホール抵抗成分、前記異常ホール抵抗成分をそれぞれ、R0 NHE、R0 AHE、及び磁界の印加強度Hを用い、以下の式(a)によって表され、
(R(θH)−R(180−θH))/2=R0 NHEHcosθH+R0 AHEcosθM 式(a)
磁化角度の磁界強度依存性は、以下の(式(b)によって表され、
(R(θH)−R(180−θH))/2=R0 NHEH+R0 AHEcosθM 式(b)
前記磁気トルク曲線Tは、自発磁化をMsとすると、以下の式(c)によって表され、
T=HMssin(θH−θM) 式(c)
であることを特徴とする請求項26に記載の磁気異方性評価方法。 - 前記磁気異方性定数の演算は、前記磁気トルク曲線をsin2θ成分とsin4θ成分でフィッティングし、
前記磁気異方性定数の第1次成分と第2次成分を導出し、
前記磁気異方性定数を算出する演算であることを特徴とする請求項16乃至27のいずれか一項に記載の磁気異方性評価方法。 - 前記第1次成分であるKu1及び前記第2次成分であるKu2を、以下の式(d)から算出し、
T=−(Ku1+Ku2)sin2θM+(Ku2/2)sin4θM 式(d)
前記磁気異方性定数であるKuを、以下の式(e)から算出することを特徴とする請求項28に記載の磁気異方性評価方法。
Ku=Ku1+Ku2+2Ms 2 式(e) - 前記測定する磁性体の膜厚は、1nm以上20nm未満である請求項16乃至請求項29いずれか一項に記載の磁気異方性評価方法。
- 磁性体の磁気異方性を評価するために、前記磁性体のホール抵抗の印加磁界角度依存性を用いて、磁気トルク曲線を演算し、前記磁気トルク曲線から磁気異方性定数を演算する演算機構。
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-
2018
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TAKUYA ONO ET AL.: "Novel torque magnetometry for uniaxial anisotropy constants of thin films and its application to FeP", APPLIED PHYSICS EXPRESS, vol. 3, no. 11, JPN7022000557, 14 February 2018 (2018-02-14), ISSN: 0004700776 * |
岡本聡: "高磁気異方性材料における高感度磁気計測と磁化反転ダイナミクス", 2014年(第154回)春期講演大会 日本金属学会講演大会概要, JPN6022005175, ISSN: 0004700775 * |
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