KR102258439B1 - 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법은, 업 방향 및 다운 방향 중에 선택된 어느 하나인 제1 방향으로 자화된 수직자성박막의 국소 영역을 가열하는 단계; 상기 수직자성박막에, 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 가지며 상기 수직자성박막의 보자력보다 큰 자기장을 인가함으로써, 제2 방향으로 자화된 제1 영역을 형성하는 단계; 상기 수직자성박막에 상기 제2 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제1 영역이 확장된 제2 영역을 형성하는 단계; 및 상기 수직자성박막에 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제2 영역 내부에 제1 방향으로 자화된 제3 영역을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법{METHOD OF FORMING SKYRMION HAVING DONUT SHAPE}
본 발명은 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법에 관한 것이다.
자화(magnetization)는 자성체의 기본적인 물성으로, 크기와 방향을 가지는 벡터값이다. 스커미온은 독특한 자화 상태를 나타내는 것을 의미한다.
도 1은 스커미온의 자화 상태를 나타내는 도면이다. 도 1에서 흰색 동그라미는 자화 방향이 수직 상방인 것을 나타내고, 검정 동그라미는 자화 방향이 수직 하방인 것을 나타낸다. 컬러로 표시된 화살표는 자화 방향이 수직 상방에서 수직 하방으로 또는 수직 하방에서 수직 상방으로 점차적으로 변화되는 부분이다.
도 1의 (a)와 (b)는 자화 방향이 서로 반대이다. 이에 따라, 예를 들어 도 1의 (a) 상태를 데이터 "1", 도 1의 (b) 상태를 데이터 "0"에 해당하도록 함으로써, 1bit의 데이터를 저장하는 것이 가능하기 때문에, 스커미온을 메모리 소자로서 이용하려는 다양한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 스커미온은 자성체에 전류가 흐르면 전류 방향과 나란하지 않게 이동하기 때문에(Skyrmion Hall Effect), 스커미온의 이동의 제어가 쉽지 않다.
한편, 도넛 형상의 스커미온(링 스커미온, skyrmionium)은 이러한 스커미온 홀 효과가 발생하지 않기 때문에 스커미온에 비해 메모리 소자로서 더욱 바람직한 특성을 갖는다.
이와 관련하여, 한국등록특허 제10-1894756호는, 키랄한 결정 구조를 갖는 절연성의 자성체(12)에 자장 발생부(14)로부터의 자장을 인가하면서 자장 발생부(16)를 사용하여 자성체(12)에 대하여 국소적으로 전장을 인가함으로써, 자성체(12)의 내부에 스커미온을 생성하는 방법을 개시한다.
그러나, 이는 스커미온을 생성하는 방법에 관한 것이며, 도넛 형태의 스커미온을 생성하는 방법에 대해서는 아직 연구가 활발하지 않다.
한국등록특허 제10-1894756호
본 발명의 실시예는 도넛 형상의 스커미온을 안정적으로 형성하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법은, 업 방향 및 다운 방향 중에 선택된 어느 하나인 제1 방향으로 자화된 수직자성박막의 국소 영역을 가열하는 단계; 상기 수직자성박막에, 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 가지며 상기 수직자성박막의 보자력보다 큰 자기장을 인가함으로써, 제2 방향으로 자화된 제1 영역을 형성하는 단계; 상기 수직자성박막에 상기 제2 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제1 영역이 확장된 제2 영역을 형성하는 단계; 및 상기 수직자성박막에 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제2 영역 내부에 제1 방향으로 자화된 제3 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제3 영역을 형성하는 단계에서, 상기 제2 영역의 외측 반지름이 감소할 수 있다.
상기 제1 방향으로 인가되는 자기장의 크기와 상기 제2 방향으로 인가되는 자기장의 크기가 각각 일정하고 서로 동일하며 인가 시간이 서로 동일할 때, 상기 제1 영역에서 제2 영역으로 확장시 증가한 반지름의 길이(dr1)는, 상기 제2 영역의 외측 반지름이 감소한 길이(dr2)보다 클 수 있다.
상기 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법은, 상기 제3 영역이 형성된 수직자성박막에 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제2 영역이 사라지지 않는 범위 내에서 상기 제3 영역을 확장시켜 제1 도넛 형상을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법은, 상기 제1 도넛 형상이 형성된 수직자성박막에 상기 제2 방향을 갖는 자기장과 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 반복적으로 인가함으로써, 상기 제1 도넛 형상보다 작은 제2 도넛 형상을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 도넛 형상을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제1 도넛을 형상하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기보다 작을 수 있다.
상기 제2 도넛 형상을 형성하는 단계에서 자기장이 인가되는 시간은, 상기 제1 도넛을 형성하는 단계에서 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향의 자기장이 인가되는 시간보다 짧을 수 있다.
상기 국소 영역은, 상기 제1 영역을 형성하는 단계, 상기 제2 영역을 형성하는 단계 및 상기 제3 영역을 형성하는 단계가 수행되는 동안 계속해서 가열될 수 있다.
상기 제3 영역의 형성을 위해 상기 제1 방향의 자기장의 인가가 종료된 이후에, 상기 국소 영역의 가열이 종료될 수 있다.
상기 국소 영역은 일정한 온도로 가열될 수 있다.
상기 국소 영역은, 상기 수직자성박막의 큐리 온도 이상으로 가열될 수 있다.
상기 국소 영역을 가열하는 시점과 상기 제2 방향의 자기장을 인가하는 시점은 동일할 수 있다.
상기 국소 영역을 가열이 시작된 이후에, 상기 제2 방향의 자기장을 인가할 수 있다.
상기 제1 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제2 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기보다 클 수 있다.
상기 제1 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제2 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기보다 작을 수 있다.
상기 제1 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제2 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기와 동일할 수 있다.
상기 자성구조체는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1층; 상기 제1층 상에 형성된 자성층; 상기 자성층 상에 형성된 터널배리어층; 및 상기 터널배리어층 상에 형성된 제2층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 도넛 형태의 스커미온을 안정적으로 형성할 수 있다.
도 1은 스커미온의 자화 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도넛 형태의 스커미온을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직자성박막의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 도넛 형상의 스커미온을 형성하기 위한 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 도넛 형상의 스커미온을 형성한 결과를 나타내는 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때 단수 단어의 사용은 "하나"의 의미일 수도 있고, 또는 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미일 수도 있다.
청구항들에서의 용어 "또는"의 사용은 본 개시 내용이 단지 선택가능한 것들 및 "및/또는"을 나타내는 정의를 지지하더라도, 선택가능한 것은 상호 배타적이거나 단지 선택가능한 것들을 나타내는 것으로 명백하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.
본 발명의 특징 및 이점은 다음 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내 다양한 변경들 및 변형들이 본 상세한 설명으로부터 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이기 때문에, 상세한 설명 및 구체적인 예들은 본 발명의 구체적인 실시예들을 나타내지만, 단지 예로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들은 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는, 첨부 도면들에 대하여 아래에서 상세하게 논의된다. 구체적인 구현예들이 논의되지만, 이는 단지 예시 목적들을 위해 행해진다. 관련 기술분야에서의 통상의 기술자는 다른 구성요소들 및 구성들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 같은 번호들은 전체에 걸쳐 같은 요소들을 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도넛 형태의 스커미온을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 (a)~(f)는 수직자성박막을 상면에서 본 평면도이며, 검정색은 수직 하방(다운 방향)으로 자화된 상태를 나타내고, 회색은 수직 상방(업 방향)으로 자화된 상태를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 도넛 형태의 스커미온을 형성하는 방법은, 업 방향 및 다운 방향 중에 선택된 어느 하나인 제1 방향으로 자화된 수직자성박막의 국소 영역을 가열하는 단계; 상기 수직자성박막에, 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 가지며 상기 수직자성박막의 보자력보다 큰 자기장을 인가함으로써, 제2 방향으로 자화된 제1 영역을 형성하는 단계; 상기 수직자성박막에 상기 제2 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제1 영역이 확장된 제2 영역을 형성하는 단계; 및 상기 수직자성박막에 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제2 영역 내부에 제1 방향으로 자화된 제3 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
도 2를 참조하면, 도 2의 (a)는 제1 방향으로 자화된 수직자성박막을 나타내고, 도 2의 (b)는 제1 영역이 형성된 상태를 나타내고, 도 2의 (c)는 제1 영역이 확장되어 제2 영역이 형성된 상태를 나타내고, 도 2의 (d)는 제2 영역의 내부에 제3 영역이 형성된 상태를 나타낸다.
본 실시예에서, 제1 방향은 다운 방향이고, 제2 방향은 업 방향일 수 있다.
도 2의 (a)~(d)를 참조하면, 먼저, 다운 방향으로 자화된 수직자성박막을 준비한다.
다음으로, 수직자성박막의 국소 영역의 가열을 시작한다. 가열은 예를 들면 레이저를 이용할 수 있으나, 국소 영역을 가열할 수 있으면 되고 이에 한하지 않는다.
다음으로, 수직자성박막 전체에 대해 업 방향의 자기장을 인가한다. 이에 따라, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 업 방향의 제1 영역이 형성된다. 업 방향의 자기장의 인가는, 국소 영역의 가열과 동시에 시작할 수도 있고, 국소 영역의 가열이 시작된 이후에 이루어질 수도 있다.
다음으로, 제1 영역이 형성된 수직자성박막에 업 방향의 자기장을 계속해서 인가하고, 국소 영역을 계속해서 가열함으로써, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 영역이 확장된 제2 영역이 형성된다.
다음으로, 제2 영역이 형성된 수직자성박막에 다운 방향의 자기장을 인가하여, 제2 영역의 내부에 다운 방향으로 자화된 제3 영역을 형성한다. 이에 따라, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, (원시) 도넛 형상의 스커미온이 형성된다.
이상의 과정만 수행하더라도 도넛 형상의 스커미온이 형성되지만, 실시예에 따라 스커미온의 안정성을 향상시키기 위해, 제3 영역이 형성된 수직자성박막에 상기 다운 방향(제1 방향)을 갖는 자기장을 계속해서 인가함으로써, 상기 제2 영역이 사라지지 않는 범위 내에서 상기 제3 영역을 확장시켜 제1 도넛 형상을 형성하는 단계가 추가될 수 있다. 이에 따라, 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 도 2의 (d)에 비해 가는 링 형상의 스커미온이 형성될 수 있다.
실시예에 따라 추가적으로 스커미온의 안정성을 향상시키기 위해, 상기 제1 도넛 형상이 형성된 수직자성박막에 업 방향을 갖는 자기장과 다운 방향을 갖는 자기장을 반복적으로 인가함으로써, 도 2의 (f)에 도시된 바와 같이, 제1 도넛 형상보다 작은 제2 도넛 형상을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제1 도넛을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기보다 작을 수 있다.
이때 업 방향 또는 다운 방향의 자기장이 인가되는 시간은, 상기 제1 도넛을 형성하는 단계에서 다운 방향의 자기장이 인가되는 시간보다 짧을 수 있다.
실시예에 따라, 제2 도넛 형상을 형성하는 단계에서, 제1 도넛을 형성하는 단계에서 인가하는 자기장의 크기보다 작고 지속시간이 짧은 자기장을 반복적으로 인가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직자성박막의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수직자성박막은, 기판(100), 제1 층(200), 자성층(300), 터널배리어층(400) 및 제2 층(500)을 포함할 수 있다. 도 3은 수직자성박막의 수직 단면을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100)은 SiO2/Si 기판일 수 있다.
제1 층(200) 및 제2 층(400)은 Ta로 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명의 범위는 이에 한하지 않으며, 제1 금속층(200) 및 제2 금속층(400)은 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 백금-망간(PtMn), 철-망간(FeMn), 이리듐-망간(IrMn), 비스무스 셀레나이드(Bi2Se3), 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3), 몰리브덴 황(MoS2), 텅스텐 텔루라이드(WTe2), 인듐 아세나이드(InAs), 갈륨 아세나이드(GaAs), 이차원 전이금속 디찰코게나이드계 화합물(2dimensional TMDs(transition metal dichalcogenides), 3족-5족 반도체(III-V semiconductors) 및 슈퍼컨덕터(superconductors) 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 제1 금속층(200)과 제2 금속층(400)은 동일한 물질로 형성될 수도 있고, 상이한 물질로 형성될 수도 있다.
자성층(300)은 Co4Fe4B2로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 예시에 불과하며, 자성층(300)은 수직한 자화방향을 선호하는 성질, 즉 수직자기이방성을 갖는 다른 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 자성층(300)은 코발트 막 상에 철(Fe)과 붕소(B)를 포함하거나, 상기 코발트 막 상에 철과 가돌리늄(Gd)을 포함하거나, 상기 코발트 막 상에 철과 테르븀(Tb)을 포함하거나, 상기 코발트 막 상에 철과 가돌리늄과 테르븀과 디스프로슘(Dy)과 홀뮴(Ho)을 포함할 수 있다.
터널배리어층(400)은 터널자기저항비(tunneling magnetoresistance; TMR)를 높이기 위한 것으로, 예를 들어 마그네슘 옥사이드(MgO)를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 도넛 형상의 스커미온을 형성하기 위한 조건을 설명한다.
도 4의 (a)~(c)는 도 2의 (b)~(d)에 대응하는 것으로, 도넛 형상의 스커미온을 형성하기 위한 조건을 설명하기 위한 도면이다.
레이저를 계속 켜 둔 상태(수직자성박막의 국소 영역을 가열)에서, 외부 자기장의 크기를 변화시키는 것으로 가정한다.
먼저, 레이저를 킨 상태에서, 업 방향의 외부 자기장을 인가한다. 이때, 외부 자기장의 크기가 레이저의 가열 온도(T)에서의 보자력(Hc(T))보다 크면, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 반지름 rn1의 제1 영역이 생성된다.
이때의 외부 자기장의 크기를 Hup1, Hup1의 외부 자기장이 인가된 시간을 tup1이라 하면, 가열되는 영역이 고정되었을 때 rn1은 자기장과 시간의 함수이므로,
rn1:=rn1(Hup1, tup1)
라고 정의할 수 있다.
이 상태에서, Hup2의 크기를 갖는 업 방향의 자기장을 tup2의 시간 동안 인가하면, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 영역이 확장되어 rmax의 반지름을 갖는 제2 영역이 생성된다.
여기서, dr1=rmax-rn1이라 하면,
rmax:=rn1+dr1(rn1, Hup2, tup2)
이라고 정의할 수 있다.
다음으로, Hdown1의 크기를 갖는 다운 방향의 자기장을 tdown1의 시간 동안 인가하면, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 영역의 외측 반지름이 감소함과 함께, 제2 영역의 내부에 다운 방향을 자화된 제3 영역이 생성된다.
여기서, 도 4의 (c)의 감소된 제2 영역의 외측 반지름을 rout, 제3 영역의 반지름을 rn2, rmax-rout, 즉 제2 영역이 축소된 길이를 dr2 라 한다.
dr2는 Hdown1이 클수록 그리고 tdown1이 길수록 커지며, rmax에는 반비례한다. 그리고, rn2는 Hdown1이 클수록 그리고 tdown1이 길수록 커진다. 이에 따라, 하기의 식을 정의할 수 있다.
dr2:=dr2(rmax, Hdown1, tdown1),
rn2:=rn2(Hdown1, tdown1)
최종적으로 도넛 형태의 스커미온이 형성되기 위해서는,
rout>rn2
이어야 한다. 이에 따라,
rmax-dr2>rn2,
rn1+dr1-dr2>rn2
이며, 이를 변수와 함께 나타내 보면,
rn1(Hup1, tup1)+dr1(rn1, Hup2, tup2)-dr2(rmax, Hdown1, tdown1) > rn2(Hdown1, tdown1)
와 같이 표현된다.
여기서, Hup1=-Hdown1, tup1=tdown1을 가정하면 rn1=rn2이므로, 상기 식은,
dr1(rn1, Hup2, tup2)-dr2(rmax, Hdown1, tdown1) > 0,
dr1(rn1, Hup2, tup2) > dr2(rmax, Hdown1, tdown1) 이 됨을 알 수 있다.
즉, 제1 영역에서 제2 영역으로 확장될 때 반지름의 변화(dr1)가, 다운 방향의 자기장을 인가함으로써 제2 영역이 수축한 거리(dr2)보다 커야 한다.
다음으로, 인가되는 외부 자기장의 크기 및 국소 영역의 가열 온도의 조건의 예시에 대해 도 5~도 9를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 다운 방향으로 자화된 수직자성박막이 준비된다.
ta1에서 국소 영역의 가열과 함께 업 방향의 외부 자기장이 인가되기 시작한다. 이때 인가되는 외부 자기장의 크기는, 가열 온도에서의 보자력보다 크다. 이에 따라, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 일정 시간이 경과한 ta2에서, 자화 방향이 반전된 제1 영역이 형성된다.
ta2에서, 외부 자기장의 세기를 감소시킨다. 이때, 외부 자기장은 업 방향으로 계속해서 인가되기 때문에, 업 방향으로 자화된 영역이 점차 확장한다. 이에 따라, ta3에서, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 영역이 확장된 제2 영역이 형성된다.
ta3에서, 다운 방향의 자기장이 인가되기 시작한다. 이에 따라, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 제2 영역의 내부에, 다운 방향으로 자화된 제3 영역이 형성된다. 이때, ta4에서 업 방향으로 자화된 제2 영역의 크기(외측 원주의 반지름)는, ta3에서 업 방향으로 자화된 제2 영역의 크기(원주의 반지름)보다 작아진다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다.
먼저, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 다운 방향으로 자화된 수직자성박막이 준비된다. 그리고, 외부 자기장의 인가 없이, 국소 영역의 가열을 시작한다.
tb1~tb2 동안 업 방향의 외부 자기장이 인가된다. 이때 인가되는 외부 자기장의 크기는, 가열 온도에서의 보자력보다 크다. 이에 따라, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, tb2에서, 자화 방향이 반전된(업 방향으로 자화된) 제1 영역이 형성된다.
tb2에서, 외부 자기장의 세기를 감소시킨다. 이때, 외부 자기장은 업 방향으로 계속해서 인가되기 때문에, 업 방향으로 자화된 영역이 점차 확장한다. 이에 따라, tb3에서, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 영역이 확장된 제2 영역이 형성된다.
tb3~tb4 동안, 다운 방향의 자기장이 인가된다. 이에 따라, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 제2 영역의 내부에, 다운 방향으로 자화된 제3 영역이 형성된다. 이때, tb4에서 업 방향으로 자화된 제2 영역의 크기(외측 원주의 반지름)는, ta3에서 업 방향으로 자화된 제2 영역의 크기(원주의 반지름)보다 작아진다.
tb5에서 국소 영역의 가열을 종료한다.
본 실시예에서, 국소 영역을 가열하기 시작하는 시점(t=0)과, 업 방향의 외부 자기장을 인가하기 시작하는 시점(t=tb1)은 상이하다. 또한, 외부 자기장의 인가가 종료되는 시점(t=tb4)과, 국소 영역의 가열이 종료되는 시점(t=tb5)은 상이하다.
실시예에 따라, 국소 영역을 가열하기 시작하는 시점과, 외부 자기장을 인가하기 시작하는 시점은 상이하고, 외부 자기장의 인가가 종료되는 시점과, 국소 영역의 가열이 종료되는 시점은 동일할 수 있다. 또는, 국소 영역을 가열하기 시작하는 시점과, 외부 자기장을 인가하기 시작하는 시점은 동일하고, 외부 자기장의 인가가 종료되는 시점과, 국소 영역의 가열이 종료되는 시점은 상이할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다. 도 7의 tc1, tc2, tc3 및 tc4는 도 5의 ta1, ta2, ta3 및 ta4에 각각 대응할 수 있다.
도 7은 도 5와 업 방향의 외부 자기장의 세기만이 상이하다. 즉, 도 5에서는 ta1~ta2 동안 인가되는 자기장의 크기가 ta2~ta3 동안 인가되는 자기장의 크기보다 컸던 것과는 달리, 도 7에서 tc1~tc2 동안 인가되는 자기장의 크기는 tc2~tc3 동안 인가되는 자기장의 크기보다 작다.
도 7의 경우, 외부 자기장의 크기 및 가열 온도에 따라, 업 방향으로 자화된 제1 영역은 tc1~tc2 구간에 나타날 수도 있고, tc2~tc3 구간에 나타날 수도 있다.
도 5 및 도 7에는 ta1~ta2 구간(tc1~tc2 구간)과 ta2~ta3 구간(tc2~tc3 구간) 동안 상이한 크기의 외부 자기장이 인가되었다. 그러나, 본 발명의 범위는 이에 한하지 않으며, ta1~ta2 구간(tc1~tc2 구간)과 ta2~ta3 구간(tc2~tc3 구간)에 걸쳐 동일한 크기의 외부 자기장이 인가될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다. 도 8의 tc1, tc3 및 tc4는 도 7의 td1, td3 및 td4에 각각 대응할 수 있다.
도 8은 도 7와 업 방향 및 다운 방향의 외부 자기장의 세기가 상이하다. 즉, 도 7에서는 tc1~tc3 동안에는 계단 모양의 업 방향의 자기장이 인가되고, tc3~tc4 동안에는 일정한 크기의 다운 방향의 자기장이 인가되었던 것과는 달리, 도 8에서 td1~td3 동안 인가되는 업 방향의 자기장은 점차적으로 증가하다가 감소하며, td3~td4 동안 인가되는 다운 자기장도 점차적으로 증가하다가 감소한다.
즉, 본 발명에서 인가되는 자기장의 크기는 특정 값으로 한정되지 않으며, 도 8의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 업 방향으로 확장된 제2 영역이 형성될 때까지 업 방향으로 자기장을 인가하고, 그 이후에 다운 방향의 자기장을 인가하면 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 국소 영역의 온도와 자기장의 세기를 나타내는 타이밍도의 일 예이다. 도 9의 te1, te3 및 te4는 도 8의 td1, td3 및 td4에 각각 대응할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 국소 영역을 가열하는 온도는 일정하지 않을 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 국소 영역을 가열하는 시점(t=0)과 외부 자기장이 인가되기 시작하는 시점(t=te1)이 상이하고, 국소 영역의 가열이 종료되는 시점(t=te5)과 외부 자기장의 인가가 종료되는 시점(t=te4)이 상이할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법은 국소 영역의 가열온도, 가열 시작 또는 종료 시점이나 외부자기장의 크기에 제한이 없으며, i) 반전된 자화 방향을 갖는 제1 영역이 형성되고, ⅱ) 외부 자기장에 의해 전 영역의 자화 반전이 유발되지 않고(즉, 제2 영역이 수직자성박막의 전역보다는 작아야 함), ⅲ) 최종적으로 형성된 제2 영역의 외부 반지름이, 내부에 형성된 제3 영역의 반지름보다 크면 된다.
도 5~도 9는 도 2의 (a)~(d) 단계에 대한 예시로서, 도 5~도 9의 과정을 수행한 후에 도 2의 (e) 및 도 2의 (f)의 과정이 추가될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 도넛 형상의 스커미온을 형성한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 구조를 가지며, 다운 방향으로 자화된 초기 상태를 갖는 수직자성박막이 이용되었다.
국소 영역의 가열을 위해 660nm 파장의 레이저가 이용되었다. 레이저의 입사 파워는 20mW이고, 레이저가 집속된 영역의 크기는 1μm 이하이다.
업 방향의 외부 자기장을 10 Oe로 일정하게 켜둔 상태에서, 레이저를 500ns 동안 조사하였다.
사용한 대물렌즈는 50배율이고, NA(Numerical Aperture)는 0.8이다.
도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 1μm 이하의 업 방향의 자구가 형성된 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 업 방향의 자구가 형성된 상태에서, 업 방향의 외부 자기장을 20 Oe로 증가시키고, 10초가 경과하였을 때, 20μm의 업 방향의 자구가 형성되었다.
이때, 외부 자기장을 -10 Oe로 변경(다운 방향으로 변경)하고 동일한 레이저를 조사하면, 도 10의 (b)의 초기 상태의 도넛 형상의 스커미온이 형성된다.
다음으로, +20 Oe의 외부 자기장을 5초 동안 인가하면, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 중심의 다운 방향의 자구가 확장된다.
다음으로, +10 Oe를 1초, -10 Oe를 1초, +10 Oe를 1초 인가하는 식으로, 업 방향과 다운 방향의 외부 자기장을 반복하여 인가하면, 도 10의 (d)에 도시된 바와 같이, 크기는 작지만 안정적인 형태의 도넛 형상의 스커미온이 형성된다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 업 방향 및 다운 방향 중에 선택된 어느 하나인 제1 방향으로 자화된 수직자성박막의 국소 영역을 가열하는 단계;
    상기 수직자성박막에, 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 가지며 상기 수직자성박막의 보자력보다 큰 자기장을 인가함으로써, 제2 방향으로 자화된 제1 영역을 형성하는 단계;
    상기 수직자성박막에 상기 제2 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제1 영역이 확장된 제2 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 수직자성박막에 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제2 영역 내부에 제1 방향으로 자화된 제3 영역을 형성하는 단계;
    를 포함하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 영역을 형성하는 단계에서, 상기 제2 영역의 외측 반지름이 감소하는 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 인가되는 자기장의 크기와 상기 제2 방향으로 인가되는 자기장의 크기가 각각 일정하고 서로 동일하며 인가 시간이 서로 동일할 때, 상기 제1 영역에서 제2 영역으로 확장시 증가한 반지름의 길이(dr1)는, 상기 제2 영역의 외측 반지름이 감소한 길이(dr2)보다 큰 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 영역이 형성된 수직자성박막에 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 인가함으로써, 상기 제2 영역이 사라지지 않는 범위 내에서 상기 제3 영역을 확장시켜 제1 도넛 형상을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 도넛 형상이 형성된 수직자성박막에 상기 제2 방향을 갖는 자기장과 상기 제1 방향을 갖는 자기장을 반복적으로 인가함으로써, 상기 제1 도넛 형상보다 작은 제2 도넛 형상을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 도넛 형상을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제1 도넛을 형상하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기보다 작은 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 도넛 형상을 형성하는 단계에서 자기장이 인가되는 시간은, 상기 제1 도넛을 형성하는 단계에서 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향의 자기장이 인가되는 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 국소 영역은, 상기 제1 영역을 형성하는 단계, 상기 제2 영역을 형성하는 단계 및 상기 제3 영역을 형성하는 단계가 수행되는 동안 계속해서 가열되는 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 영역의 형성을 위해 상기 제1 방향의 자기장의 인가가 종료된 이후에, 상기 국소 영역의 가열이 종료되는 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 국소 영역은 일정한 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 국소 영역은, 상기 수직자성박막의 큐리 온도 이상으로 가열되는 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 국소 영역을 가열하는 시점과 상기 제2 방향의 자기장을 인가하는 시점은 동일한 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 국소 영역을 가열이 시작된 이후에, 상기 제2 방향의 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제2 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기보다 큰 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제2 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기보다 작은 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는, 상기 제2 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기와 동일한 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 수직자성박막은,
    기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1층
    상기 제1층 상에 형성된 자성층;
    상기 자성층 상에 형성된 터널배리어층; 및
    상기 터널배리어층 상에 형성된 제2층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 스커미온을 형성하는 방법.
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