KR102273708B1 - 고온에서 안정적으로 스커미온 격자를 생성하는 방법 및 장치 - Google Patents

고온에서 안정적으로 스커미온 격자를 생성하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 스커미온의 생성 방법은, 자기 다층 시스템을 생성하는 단계; 및 상기 자기 다층 시스템의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절함으로써 400℃ 이상에서 스커미온을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

고온에서 안정적으로 스커미온 격자를 생성하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING SKYRMION LATTICE STABILIZED AT HIGH TEMPERATURE}
본 발명은 스커미온의 생성 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 자기 다층 시스템에서 생성되는 동종 키랄 닐 자구벽(homochiral Neel domain wall) 스커미온 격자를 고온에서 안정적으로 생성하는 것에 관한 것이다.
스커미온은 나노미터 크기와 효율적인 전류 구동 동작으로 인해 고밀도 저전력 스핀 메모리 장치에 적합하다. 특히, 동일한 키랄성을 가진 닐 자구벽(Neel domain wall)을 갖는, 자기 다층 시스템의 스커미온들은 전류 방향에 대해 동일한 움직임을 나타낸다. 이러한 움직임은 자기 다층 시스템 스커미온의 닐 자구벽에 작용하는 전류-유도 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque; SOT)에 기인한다. SOT는 같은 키랄성을 가진 닐 자구벽에 같은 방향의 힘을 가하여, 시스템의 키랄성(chirality)에 따라 스커미온이 전류 방향에 평행하거나 또는 전류 방향에 반평행하게 움직이도록 한다. 특히 이러한 스커미온의 움직임은 나노세컨드 단위에서 발생하는 전류 구동 특성이기 때문에, 자기 다층 시스템의 스커미온은 스핀 메모리 및 스핀 로직 소자에서 응용 가능성이 기대되고 있다.
그러나, 현재까지 자기 다층 시스템의 스커미온은 극저온 내지 상온에서만 관측되고 있으며, 고온에서는 스커미온이 안정적으로 생성되지 않는 것으로 알려져 있다.
도 1은 종래기술에 따른 스핀 구조를 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)는 298K 에서의 스핀 구조를 나타내고, 도 1의 (b)는 348K 에서의 스핀 구조를 나타낸다.
도 1의 (a)는 격자 스핀 구조를 나타내고 있으며, 도 1의 (b)는 스트라이프(stripe) 스핀 구조를 나타내고 있다.
격자 스핀 구조는 스커미온이 안정적으로 생성된 것을 의미하며, 스트라이프 스핀 구조는 스커미온이 사라진 상태를 의미한다. 즉, 도 1로부터 실온 상태에서 존재하던 스커미온이 70℃에서는 사라지는 것을 알 수 있다.
등록특허 제10-2099068호
본 발명은 자기 다층 시스템에서 스커미온을 고온에서 안정적으로 생성하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 다층 시스템에서 스커미온의 생성 방법은, 자기 다층 시스템을 생성하는 단계; 및 상기 자기 다층 시스템의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절함으로써 400℃ 이상에서 스커미온을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 자기이방성(Keff)의 값은 0 ~ 2.5×104 J/m3 이고, 상기 자화(Ms) 값은 2.0×105 ~ 5.0×105 A/m 일 수 있다.
상기 스커미온을 생성하는 단계는, DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction) 값을 추가적으로 조절할 수 있다.
상기 DMI는 1.2×10-3 ~ 1.8×10-3 J/m3 일 수 있다.
상기 자기 다층 시스템은, 제1 하부층, 상기 제1 하부층 상에 형성된 제1 자성층, 상기 제1 자성층 상에 형성된 제1 상부층, 상기 제1 상부층 상에 형성된 제2 하부층, 상기 제2 하부층 상에 형성된 제2 자성층 및 상기 제2 자성층 상에 형성된 제2 상부층을 포함하고, 상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층은 상이한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 자성층 및 제2 자성층은, CoxFe1-x (단, x는 0~1) 및 CoyFe1-y-zBz (단, z는 0~0.2이고, y는 0~1-z) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 하부층 및 제2 하부층은 동일한 물질로 형성되고, 상기 제1 상부층 및 제2 상부층은 동일한 물질로 형성되며, 상기 제1 하부층 및 제2 하부층을 형성하는 물질과, 상기 제1 상부층 및 상기 제2 상부층을 형성하는 물질은 상이하며, 상기 제1 하부층, 상기 제2 하부층, 상기 제1 상부층 및 상기 제2 상부층의 각각은, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Ru 를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 2 이상의 합금으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스커미온 생성 장치는, 자기 다층 시스템; 및 상기 자기 다층 시스템의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절함으로써 400℃ 이상에서 스커미온을 생성하는 스커미온 생성부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 자기 다층 시스템에서 스커미온을 고온에서 안정적으로 생성할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 스핀 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스커미온의 생성 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온의 생성 방법이 사용되는 자기 다층 시스템의 단위 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 자기 다층 시스템의 온도에 따른 자기 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 로렌츠 전자현미경(LTEM)에 의해 측정된 온도에 따른 자기 도메인 이미지를 나타낸다.
도 6은 온도에 따른 자기 도메인의 상 변화를 나타내는 몬테카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 자기장에 따른 자기 도메인의 상 변화를 관찰하기 위한 실험 및 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 이상의 실험 및 시뮬레이션 결과로부터 스커미온이 생성되는 영역의 파라미터를 표시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 생성 장치의 구성을 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 스커미온의 생성 방법을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온의 생성 방법은, 자기 다층 시스템을 생성하는 단계(S100); 및 상기 자기 다층 시스템의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절함으로써 400℃ 이상에서 스커미온을 생성하는 단계(S200)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온의 생성 방법이 사용되는 자기 다층 시스템의 단위 구조(1)를 나타내는 도면이다. 단위 구조(1)는 자기 다층 시스템에 복수 적층될 수 있다. 예를 들어, 5개의 단위 구조(1)가 상하로 적층될 수 있으며, 도 3은 이 중에서 하나의 단위 구조(1)만을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 자기 다층 시스템은 제1 하부층(110), 상기 제1 하부층 상에 형성된 제1 자성층(120), 상기 제1 자성층 상에 형성된 제1 상부층(130), 상기 제1 상부층 상에 형성된 제2 하부층(210), 상기 제2 하부층 상에 형성된 제2 자성층(220) 및 상기 제2 자성층 상에 형성된 제2 상부층(230)을 포함하며, 상기 제1 자성층(120)과 상기 제2 자성층(220)은 상이한 물질로 형성된다.
제1 자성층(120) 및 제2 자성층(220)은, CoxFe1-x (단, x는 0 ~ 1) 및 CoyFe1-y-zBz (단, z는 0 ~ 0.2이고, y는 0 ~ 1-z) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 이때, 제1 자성층(120) 및 제2 자성층(220)은 Co (x가 1인 경우), Fe (x가 0인 경우), CoxFe1-x (z가 0인 경우)일 수 있다.
제1 자성층(120) 및 제2 자성층(220)은 서로 상이한 물질로 형성되며, 여기서 서로 상이한 물질이란 Co 및 CoFe와 같이 물질 자체가 상이한 경우뿐만 아니라 Co0.5Fe0.3B0.2 및 Co0.1Fe0.7B0.2 와 같이 성분비가 상이한 경우를 포함한다.
상기 제1 하부층(110) 및 제2 하부층(210)은 동일한 물질로 형성되고, 상기 제1 상부층(130) 및 제2 상부층(230)은 동일한 물질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 하부층(110) 및 제2 하부층(210)을 형성하는 물질과, 상기 제1 상부층(130) 및 상기 제2 상부층(230)을 형성하는 물질은 상이할 수 있다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 하부층(110) 및 제2 하부층(210)은 물질 A로 형성되고, 제1 상부층(130) 및 제2 상부층(230)은 물질 A와 상이한 물질 B로 형성되며, 제1 자성층(120)은 자성물질 C로 형성되고, 제2 자성층은 자성물질 C와 상이한 자성물질 D로 형성될 수 있다.
상기 제1 하부층(110), 상기 제2 하부층(210), 상기 제1 상부층(130) 및 상기 제2 상부층(230)의 각각은, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Ru 를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 2 이상의 합금으로 형성될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 도달하게 된 근거로서, 실험 및 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다.
도 4는 자기 다층 시스템의 온도에 따른 자기 특성을 나타내는 그래프이다. 본 실험에서 [Ru (0.85) / Pt (0.6) / Co (1.3) / Ru (0.85) / Pt (0.6) / Co4Fe4B2 (0.8)]의 단위 구조가 10회 적층된 자기 다층 시스템이 이용되었다. 괄호 안의 숫자는 나노 미터 단위의 두께를 나타낸다.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 430K 및 580K 에서 측정된 면외 자기 이력곡선을 나타내고, 도 4의 (c)는 온도에 따른 유효 자기 이방성(Keff)의 값을 나타내고, 도 4의 (d)는 온도에 따른 포화 자화(Ms)의 값을 나타낸다.
Pt / Co / Ru 및 Pt / CoFeB / Ru 의 단위 구조는 면외 자기 용이(easy) 축을 갖지만 Ru / Pt / Co / Ru / Pt / CoFeB 단위 구조는 잔류 자화가 거의 없다. 이는, 로렌츠 전자현미경 (LTEM; Lorentz transmission electron microscopy) 측정을 통해 50:50, up : down 자화 영역을 갖는 면외 스트라이프 도메인의 형성으로 인한 것임을 확인하였다. 여기서, CoFeB 및 Co에 인접한 0.6 nm 두께의 Pt 층은 자기 근접 효과로 인해 완전히 자화된다. 또한, 0.85 nm 두께의 Ru 층은 일반적으로 실온에서 인접한 자성층들 사이에 반강자성 층간 결합을 유도하지만, 400K 이상의 온도에서 Ru 층간 결합은 어닐링 효과로 인해 강자성 층간 결합이 형성되어 전체 Ru / Pt / Co / Ru / Pt / CoFeB 단위 구조가 단일 자성층처럼 작동하도록 한다.
도 4의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 온도를 400K 에서 750K 로 증가시키는 과정에서, 포화 자화(Ms) 및 유효 자기 이방성(Keff)은 상당히 감소한다. 이러한 물질 파라미터의 감소는 자기 도메인 위상에 분명히 영향을 미친다는 것을 알 수 있으며, 이는 후술하는 바와 같이 LTEM 이미지와 시뮬레이션 결과를 통해 확인되었다.
도 5는 LTEM에 의해 측정된 온도에 따른 자기 도메인 이미지를 나타낸다.
Ru / Pt / Co / Ru / Pt / CoFeB 의 단위 구조를 갖는 자기 다층 시스템 샘플이 이용되었으며, 도 5의 (a)는 온도를 증가시키는 경우의 자구(magnetic domain) 위상 변화를 나타내고, 도 5의 (b)는 온도를 감소시키는 경우의 자구 위상 변화를 나타낸다.
LTEM 측정 실험에서는 샘플을 30도 기울였을 때만 자구벽의 콘트라스트(음영)이 관측되었다. LTEM 측정에서 샘플 기울임 없을 때는 닐 자구벽 콘트라스트가 완전히 상쇄될 것이기 때문에, 이는 자구벽이 키랄 닐 자구벽이라는 것을 의미한다. 이 자기 다층 시스템의 자구벽은 좌측(left-handed) 키랄성을 유도하는 Pt / Co 및 Pt / CoFeB의 계면들에서의 DMI로 인해 키랄 닐 자구벽을 가질 것으로 예상된다.
도 5의 (a)는 29mT 의 일정한 면외 자기장 하에서 실온으로부터 733K 로 온도 증가 과정 동안의 자기 도메인의 변화를 나타낸다. 샘플은 530K 까지 면외 단일 도메인 (도 5a의 (i))으로 유지되었으며, 이보다 높은 온도에서는 두 번의 상 전이가 관찰되었다. 먼저 540K 에서, 단일 도메인에서 스트라이프 도메인으로 상이 전환되었다 (도 5a의 (ii)). 전술한 바와 같이, 스트라이프 도메인은 동일한 키랄성을 갖는 닐 자구벽을 갖는다. 온도가 더 증가함에 따라 키랄 스트라이프 도메인에서 스커미온 격자로의 또 다른 전이가 733K 에서 발생하였다 (도 5a의 (ⅵ)).
스커미온 격자를 나타내는 723K (도 5b의 (i))로부터 온도를 실온으로 다시 감소하는 과정에서, 약 420K에서 스커미온 밀도가 감소하기 시작하고 (도 5b의 (ⅱ)), 온도가 추가적으로 감소함에 따라 면외 방향의 자화는 점차적으로 포화되었다 (도 5b의 (ⅲ) 내지 (ⅵ)). 스트라이프 도메인은 온도 감소 동안 나타나지 않았으며, 이는 자기 도메인 상 변화가 온도 의존적 히스테리시스를 나타낸다는 것을 의미한다.
도 5a의 스커미온의 크기는 약 155nm이고, 도 5a의 (ⅵ)와 도 5b의 (i)의 스커미온 사이의 거리는 약 195nm이며, 이는 스커미온이 약 43~56%의 점유율을 가짐을 의미한다. 이로부터 도 5a의 (ⅵ)와 도 5b의 (i)에 나타난 밀도가 높은 스커미온 어레이가 사실상 호모키랄(homochiral) 스커미온 격자와 유사하다는 것을 알 수 있다.
본 실험으로부터, 자기 다층 시스템에서 격자형의 밀도가 높은 호모키랄 자기 스커미온이 상당히 높은 온도, 예를 들어 700K 이상에서 안정화될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 6은 온도에 따른 자기 도메인의 상 변화를 나타내는 몬테카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션 결과이다.
전술한 바와 같이, Co 및 CoFeB 층들 사이의 강자성 층간 결합으로 인해 전체 다층 박막이 단일 자성층으로 동작하므로, 시뮬레이션에서는 단일 2 차원 층을 가정하였다.
몬테카를로 시뮬레이션은 하기의 식 (1) 및 (2)를 이용하여 수행되었다.
Figure 112020073433141-pat00001
여기서, J,
Figure 112020073433141-pat00002
,
Figure 112020073433141-pat00003
,
Figure 112020073433141-pat00004
,
Figure 112020073433141-pat00005
는 각각 교환 상호작용, 격자 위치 (i,j)의 위치에서의 DMI, 유효 수직 자기 이방성, 자기 쌍극자 상호작용 및 외부 자기장을 나타낸다.
계산의 편의를 위해, 격자 위치에서의 스핀 벡터 S는 단위 벡터로 설정되고, 쌍극자 상호작용에서 r은 차원이 없는 변위 벡터로 설정되었으며, 이에 따라 J,
Figure 112020073433141-pat00006
,
Figure 112020073433141-pat00007
,
Figure 112020073433141-pat00008
,
Figure 112020073433141-pat00009
는 에너지 단위를 갖는다.
랜덤넘버 R, 온도 파라미터 T, 스핀 벡터 S 및 유효 장(
Figure 112020073433141-pat00010
) 간의 관계를 이용하여 시뮬레이션에서 얻어진 스핀 구성은 다음과 같다.
Figure 112020073433141-pat00011
여기서,
Figure 112020073433141-pat00012
는
Figure 112020073433141-pat00013
과 평행한 방향의 스핀 성분이고,
Figure 112020073433141-pat00014
는
Figure 112020073433141-pat00015
에 수직한 방향의 스핀 성분이다.
온도 증가(도 6a) 및 온도 감소(도 6b) 동안 고정된 DMI, 고정된 면외 자기장 및 몇 가지 대표적인 Keff 값을 가지고 자구(magnetic domain)를 구하였다. 온도 상승 과정의 모든 경우에 초기 상태(T = 0 K)는 외부 면외 자기장의 존재로 인한 면외 단일 자구 상태이다(도 6a에서 가장 오른쪽 이미지). 반면 온도 감소 과정의 초기 상태는 상자성 상태이다(도 6b의 가장 왼쪽 이미지). 도 4c에 도시된 Keff의 온도 의존성을 고려하면, 온도 증가 (도 5a) 및 감소 (도 5b)에 따른 단일-스트라이프-스커미온 (single-stripe-skyrmion) 도메인 상 전이의 실험적 관찰이, 도 6a 및 도 6b의 적색 점선 화살표를 따라 시뮬레이션에서 정성적으로 재현되었다. 더욱이, 도 5에서 관찰된 온도 증가 및 감소 동안 다르게 나타나는 자구 변화 과정이 시뮬레이션 결과에서도 보여진다. 시뮬레이션으로부터 Keff의 온도 의존적 변화가 자구벽 변화의 히스테리시스의 존재에 크게 기여한다는 것을 알 수 있다. 또한, 자기 이방성 및 자화(자기장)를 적절하게 선택함으로써, 자성 다층 시스템의 넓은 온도 범위에서 조밀한 스커미온 어레이가 안정화될 수 있음을 알 수 있다.
온도 감소 과정을 위해 시뮬레이션 결과가 오른쪽에서 왼쪽으로 연속적으로 얻어졌다. 초기 상태는 상자성 상태이고 온도가 천천히 감소하여 시스템은 에너지와 엔트로피를 최소화하는 자구가 생성되었다. 따라서, 도 6b는 가장 안정한 상태(ground state) 자구 구조와 유사할 것이다.
도 7은 자기장에 따른 자기 도메인의 상 변화를 관찰하기 위한 실험 및 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)에서 (c)에서 713K 의 고정된 샘플 온도에서 외부 면외 자기장을 변화시키면서 자기 도메인 구조가 관찰되었다. 하얀색 바는 1um를 나타낸다. 스트라이프에서 스커미온 상 전이는 면외 자기장을 0 에서 28 mT 로 증가시키는 과정에서 관찰되었으며 (도 7a), 반대의 상 전이는 면외 자기장을 다시 0 mT 으로 감소시키는 과정에서 관찰되었다(도 7b). 더 높은 면외 자기장에서, 스커미온 격자의 자유 에너지는 자기장 구동 면외 대칭 파괴로 인해 스트라이프 도메인의 자유 에너지보다 낮으며, 이는 완전히 가역적인 자기장 구동 스트라이프-스커미온 상 전이로 이어진다. 자기장이 43mT 로 더 증가하면, 스커미온 격자는 면외 단일 도메인으로 완전히 포화된다 (도 7c).
외부 자기장으로 인한 스트라이프-스커미온 상 전이 과정은 미세 자기 시뮬레이션으로 확인할 수 있다(도 7d 및 도 7e). 도 7d 및 7e는 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 나타내며, 도 6a 및 도 6b의 스커미온 격자의 초기 상태에 해당하는 T/J = 0.45, Keff/J = 0.08 로 선택되었다.
이상으로부터 자기장 구동 스트라이프-스커미온 상 전이가 완전히 가역적임을 알 수 있다.
도 8은 이상의 실험 및 시뮬레이션 결과로부터 스커미온이 생성되는 영역의 파라미터를 표시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 자기이방성(Keff)의 값은 0 ~ 2.5×104 J/m3 (즉 0 ~ 0.25×106 erg/cm3)이고, 자화(Ms) 값은 2.0×105 ~ 5.0×105 A/m (즉 200 emu/cm3 ~ 500 emu/cm3)인 경우 스커미온이 안정적으로 생성되는 것을 알 수 있다.
이때, 도 8에 도시되지는 않았지만 DMI는 1.2×10-3 ~ 1.8×10-3 J/m3 의 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
전술한 파라미터의 범위에서 400℃ 이상, 바람직하게는 400℃~460℃의 범위에서 스커미온이 안정적으로 생성되는 것이 확인되었다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 생성 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 스커미온 생성 장치는, 자기 다층 시스템(10) 및 상기 자기 다층 시스템(10)의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절함으로써 400℃ 이상에서 스커미온을 생성하는 스커미온 생성부(20)를 포함한다.
자기 다층 시스템(10)은 도 3의 자기 다층 시스템에 해당한다.
스커미온 생성부(20)는 고온에서 안정적으로 스커미온 격자를 생성하기 위해 자기 다층 시스템(10)의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절하며, 도 2의 S200 단계의 기능을 수행한다. 스커미온 생성부(20)는 추가적으로 DMI 값을 조절할 수 있다. 스커미온 생성부(20)에서 조절되는 자기이방성(Keff), 자화(Ms) 및 DMI 값의 범위는 전술한 바와 같으므로 동일 설명은 생략한다. 스커미온 생성부(20)는 자기 다층 시스템(10)에 대해 자기장을 발생시키는 장치, 자기 다층 시스템(10)의 온도를 조절하기 위한 히터/쿨러 및, 자기장 발생 장치와 히터/쿨러를 제어하기 위한 제어부를 포함할 수 있다.
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 (14)

  1. 자기 다층 시스템을 생성하는 단계; 및
    상기 자기 다층 시스템의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절함으로써 400℃ 이상에서 스커미온을 생성하는 단계
    를 포함하는 자기 다층 시스템에서 스커미온의 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기이방성(Keff)의 값은 0 ~ 2.5×104 J/m3 이고,
    상기 자화(Ms) 값은 2.0×105 ~ 5.0×105 A/m 인 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스커미온을 생성하는 단계는, DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction) 값을 추가적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 DMI는 1.2×10-3 ~ 1.8×10-3 J/m3 인 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자기 다층 시스템은,
    제1 하부층,
    상기 제1 하부층 상에 형성된 제1 자성층,
    상기 제1 자성층 상에 형성된 제1 상부층,
    상기 제1 상부층 상에 형성된 제2 하부층,
    상기 제2 하부층 상에 형성된 제2 자성층 및
    상기 제2 자성층 상에 형성된 제2 상부층
    을 포함하고,
    상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층은 상이한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층은, CoxFe1-x (단, x는 0~1) 및 CoyFe1-y-zBz (단, z는 0~0.2이고, y는 0~1-z) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 하부층 및 제2 하부층은 동일한 물질로 형성되고,
    상기 제1 상부층 및 제2 상부층은 동일한 물질로 형성되며,
    상기 제1 하부층 및 제2 하부층을 형성하는 물질과, 상기 제1 상부층 및 상기 제2 상부층을 형성하는 물질은 상이하며,
    상기 제1 하부층, 상기 제2 하부층, 상기 제1 상부층 및 상기 제2 상부층의 각각은, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Ru 를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 2 이상의 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 방법.
  8. 자기 다층 시스템; 및
    상기 자기 다층 시스템의 자기이방성(Keff) 및 자화(Ms) 값을 조절함으로써 400℃ 이상에서 스커미온을 생성하는 스커미온 생성부
    를 포함하는 스커미온 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스커미온 생성부는,
    상기 자기이방성(Keff)의 값을 0 ~ 2.5×104 J/m3 로 조절하고,
    상기 자화(Ms) 값을 2.0×105 ~ 5.0×105 A/m 로 조절하는 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 스커미온 생성부는, DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction) 값을 추가적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스커미온 생성부는, 상기 DMI를 1.2×10-3 ~ 1.8×10-3 J/m3 으로 조절하는 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 자기 다층 시스템은,
    제1 하부층,
    상기 제1 하부층 상에 형성된 제1 자성층,
    상기 제1 자성층 상에 형성된 제1 상부층,
    상기 제1 상부층 상에 형성된 제2 하부층,
    상기 제2 하부층 상에 형성된 제2 자성층 및
    상기 제2 자성층 상에 형성된 제2 상부층
    을 포함하고,
    상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층은 상이한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층은, CoxFe1-x (단, x는 0~1) 및 CoyFe1-y-zBz (단, z는 0~0.2이고, y는 0~1-z) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 하부층 및 제2 하부층은 동일한 물질로 형성되고,
    상기 제1 상부층 및 제2 상부층은 동일한 물질로 형성되며,
    상기 제1 하부층 및 제2 하부층을 형성하는 물질과, 상기 제1 상부층 및 상기 제2 상부층을 형성하는 물질은 상이하며,
    상기 제1 하부층, 상기 제2 하부층, 상기 제1 상부층 및 상기 제2 상부층의 각각은, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Ru 를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 2 이상의 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 스커미온의 생성 장치.




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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024005274A1 (ko) * 2022-06-28 2024-01-04 울산과학기술원 자구벽이 형성된 메탈구조물 및 스커미온 생성 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170042308A (ko) * 2014-11-27 2017-04-18 고쿠리쓰 겐큐 가이하쓰 호징 리가가쿠 겐큐소 자기 소자, 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 데이터 기록 장치, 데이터 처리 장치 및 통신 장치
KR101875931B1 (ko) * 2017-07-07 2018-07-06 울산과학기술원 스커미온 형성을 위한 메탈 구조물, 메탈 구조물 내 스커미온 형성 방법
KR102099068B1 (ko) 2014-10-28 2020-04-08 고쿠리쓰 겐큐 가이하쓰 호징 리가가쿠 겐큐소 자기 소자, 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 장치, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 데이터 기록 장치, 데이터 처리 장치 및 통신 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9773540B2 (en) * 2015-07-17 2017-09-26 The Johns Hopkins University Skyrmion based universal memory operated by electric current
US10339993B1 (en) * 2017-12-30 2019-07-02 Spin Memory, Inc. Perpendicular magnetic tunnel junction device with skyrmionic assist layers for free layer switching
US11430943B2 (en) * 2018-06-28 2022-08-30 Intel Corporation Magnetic tunnel junction (MTJ) devices with a synthetic antiferromagnet (SAF) structure including a magnetic skyrmion
US10720572B1 (en) * 2019-02-12 2020-07-21 Northrop Grumman Systems Corporation Skyrmion stack memory device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102099068B1 (ko) 2014-10-28 2020-04-08 고쿠리쓰 겐큐 가이하쓰 호징 리가가쿠 겐큐소 자기 소자, 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 장치, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 데이터 기록 장치, 데이터 처리 장치 및 통신 장치
KR20170042308A (ko) * 2014-11-27 2017-04-18 고쿠리쓰 겐큐 가이하쓰 호징 리가가쿠 겐큐소 자기 소자, 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 데이터 기록 장치, 데이터 처리 장치 및 통신 장치
KR101875931B1 (ko) * 2017-07-07 2018-07-06 울산과학기술원 스커미온 형성을 위한 메탈 구조물, 메탈 구조물 내 스커미온 형성 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024005274A1 (ko) * 2022-06-28 2024-01-04 울산과학기술원 자구벽이 형성된 메탈구조물 및 스커미온 생성 방법

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