KR20100125144A - Apparatus for magnetic anisotropy constant measurement - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기이방성상수 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 전기저항 또는 홀 전압 측정을 통해 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic anisotropy constant measuring apparatus and measuring method. More specifically, the present invention relates to an apparatus and a method for measuring the magnetic anisotropy constant of a magnetic body by measuring electrical resistance or hall voltage.
자성체의 자기이방성상수는 자성체의 기본적인 성질을 나타내는 값으로 자성체의 특성을 결정짓는 중요한 데이터이다. 이러한 자기이방성상수를 측정하는 장치로 토크마그네토미터가 있다. 토크마그네토미터는 측정하고자 하는 시료에 외부 자기장을 인가하여 시료의 자화상태에 의해 발생하는 힘을 측정함으로써 물질의 자기이방성상수를 구한다. 그러나 측정하는 시료의 크기가 작아지게 되면, 그에 따라 측정되는 힘의 크기도 작아지게 되므로, 자기이방성상수의 측정이 불가능해질 수 있다. 최근 과학기술의 발전이 초소형, 초정밀인 점을 고려할 때, 토크마그네토미터의 한계점이 드러나게 된다. 또한, 토크마그네토미터는 정밀한 힘을 측정하기 때문에 외부진동과 마찰 등 물리적인 문제에 취약하다는 단점이 있다.The magnetic anisotropy constant of a magnetic body is a value representing the basic properties of the magnetic body and is important data for determining the characteristics of the magnetic body. Torque magnetometer is a device for measuring the magnetic anisotropy constant. The torque magnetometer calculates the magnetic anisotropy constant of the material by applying an external magnetic field to the sample to be measured and measuring the force generated by the magnetization state of the sample. However, when the size of the sample to be measured is reduced, the magnitude of the force to be measured is also reduced, so that the measurement of the magnetic anisotropy constant may be impossible. Considering the fact that the recent development of science and technology is very small and ultra-precision, the limitation of the torque magnetometer is revealed. In addition, the torque magnetometer has a disadvantage in that it is vulnerable to physical problems such as external vibration and friction because it measures precise force.
본 발명은 마이크로 또는 나노미터 크기를 갖는 자성체의 자기이방성상수를 안정적으로 측정할 수 있는 자기이방성상수 측정장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a magnetic anisotropy constant measuring apparatus and method capable of stably measuring the magnetic anisotropy constant of a magnetic material having a micro or nanometer size.
본 발명에 따른 자기이방성상수 측정장치는, 균일한 자기장을 인가하여 자기공간을 형성하는 자기장발생부, 자기공간 내에서 자성체를 일정한 축을 중심으로 회전시키는 회전부, 자성체의 자화용이축과 자성체에 인가되는 자기장의 방향이 이루는 각도인, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 저항값(R)을 측정하는 데이터측정부, 및 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 저항값(R)을 이용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하는 자기이방성상수 연산부를 포함한다.Magnetic anisotropy constant measuring device according to the present invention, a magnetic field generating unit for forming a magnetic space by applying a uniform magnetic field, a rotating unit for rotating the magnetic body around a certain axis in the magnetic space, the magnetic axis for magnetization and the magnetic body is applied to The angle of the external magnetic field, which is the angle made by the direction of the magnetic field, Data measuring unit for measuring the resistance value (R) of the magnetic body according to the, and the measured angle of the external magnetic field ( It includes a magnetic anisotropy constant calculating unit for calculating the magnetic anisotropy constant (K) of the magnetic material using the resistance value R according to).
데이터측정부는,Data measurement unit,
자성체의 양단의 전극과 연결되고, 자성체의 양단의 전극을 통해 자성체에 일정한 전류를 공급하는 전류공급부, 자성체의 양단의 전극과 연결되고, 자성체의 양단의 전극을 통해 자성체의 전압값을 측정하되, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 전압값을 측정하는 전압측정부, 및 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 전압값을, 외부자기장의 각도()에 따른 저항값(R)으로 변환하는 데이터변환부를 포함하는 것이 바람직하다.It is connected to the electrodes of both ends of the magnetic material, the current supply unit for supplying a constant current to the magnetic material through the electrodes of the both ends of the magnetic material, the electrode of the both ends of the magnetic material, and measure the voltage value of the magnetic material through the electrodes of both ends of the magnetic material, Angle of external magnetic field ( The voltage measuring unit for measuring the voltage value of the magnetic body according to, and the measured angle of the external magnetic field ( The voltage value according to) is the angle of the external magnetic field ( It is preferable to include a data conversion unit for converting into a resistance value (R) according to.
자기이방성상수 연산부는,Magnetic anisotropy constant calculating unit,
측정된 외부자기장의 각도()에 따른 저항값(R)을 이용하여, 측정된 저항값(R)과 외부자기장의 각도()의 함수를, 자성체의 자화용이축과 자화방향이 이루는 각도인 자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수로 변환하고, Measured external magnetic field angle ( Using the resistance value R according to), the measured resistance value R and the angle of the external magnetic field ( The function of) is the angle of magnetization (θ), which is the angle between the easy axis of magnetization and the magnetization direction, and the angle of the external magnetic field ( To a function of),
자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수를, 이론식Magnetization angle (θ) and angle of external magnetic field ( ) Function,
에 적용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하며,Calculate the magnetic anisotropy (K) of the magnetic material by applying to
H는 자성체 인가되는 자기장의 세기이며, M은 자성체의 포화자화상수인 것이 바람직하다.H is the strength of the magnetic field applied to the magnetic material, M is preferably the saturation magnetization constant of the magnetic material.
본 발명에 따른 자기이방성상수 측정장치는, 균일한 자기장을 인가하여 자기공간을 형성하는 자기장발생부, 자기공간 내에서 자성체를 일정한 축을 중심으로 회전시키는 회전부, 자성체의 자화용이축과 자성체에 인가되는 자기장의 방향이 이루는 각도인, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 홀 전압값(VH)을 측정하는 데이터측정부, 및 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 홀 전압값(VH)을 이용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하는 자기이방성상수 연산부를 포함한다.Magnetic anisotropy constant measuring device according to the present invention, a magnetic field generating unit for forming a magnetic space by applying a uniform magnetic field, a rotating unit for rotating the magnetic body around a certain axis in the magnetic space, the magnetic axis for magnetization and the magnetic body is applied to The angle of the external magnetic field, which is the angle made by the direction of the magnetic field, Data measuring unit for measuring the Hall voltage value (V H ) of the magnetic material according to the, and the angle of the measured external magnetic field ( A magnetic anisotropy constant calculating unit for calculating the magnetic anisotropy constant (K) of the magnetic material by using the Hall voltage value (V H ) according to).
데이터측정부는,Data measurement unit,
자성체의 제1 양단의 전극과 연결되고, 제1 양단의 전극을 통해 자성체에 일정한 전류를 공급하는 전류공급부, 및 자성체의 제1 양단의 전극에 대하여 수직으로 교차하는 위치에 있는 제2 양단의 전극과 연결되고, 제2 양단의 전극을 통해 자 성체의 홀 전압값(VH)을 측정하되, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 홀 전압값(VH)을측정하는 전압측정부를 포함하는 것이 바람직하다.A current supply unit connected to the electrodes of the first both ends of the magnetic body and supplying a constant current to the magnetic body through the electrodes of the first both ends, and the electrodes of the second both ends in a position perpendicular to the electrodes of the first both ends of the magnetic body; Is measured, and the Hall voltage value (V H ) of the magnetic body is measured through the electrodes at both ends, and the angle of the external magnetic field ( It is preferable to include a voltage measuring unit for measuring the Hall voltage value (V H ) of the magnetic material according to).
자기이방성상수 연산부는,Magnetic anisotropy constant calculating unit,
측정된 외부자기장의 각도()에 따른 홀 전압값을 이용하여, 측정된 홀전압(VH)과 외부자기장의 각도()의 함수를, 자성체의 자화용이축과 자화방향이 이루는 각도인 자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수로 변환하고, Measured external magnetic field angle ( Using the Hall voltage value according to), the measured Hall voltage (V H ) and the angle of the external magnetic field ( The function of) is the angle of magnetization (θ), which is the angle between the easy axis of magnetization and the magnetization direction, and the angle of the external magnetic field ( To a function of),
자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수를, 이론식Magnetization angle (θ) and angle of external magnetic field ( ) Function,
에 적용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하며,Calculate the magnetic anisotropy (K) of the magnetic material by applying to
H는 자성체 인가되는 자기장의 세기이며, M은 자성체의 포화자화상수인 것이 바람직하다.H is the strength of the magnetic field applied to the magnetic material, M is preferably the saturation magnetization constant of the magnetic material.
본 발명에 따른 자기이방성상수 측정방법은, 균일한 자기장을 인가하여 자기공간을 형성하는 자기장 인가단계, 자기공간 내에서 자성체를 일정한 축을 중심으로 회전시키는 회전단계, 자성체의 자화용이축과 자성체에 인가되는 자기장의 방향이 이루는 각도인, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 저항값(R)을 측정하는 데이터측정단계, 및 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 저항값(R)을 이용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하는 자기이방성상수 연산단계를 포함한다.Magnetic anisotropy constant measuring method according to the present invention, a magnetic field applying step to form a magnetic space by applying a uniform magnetic field, a rotating step of rotating the magnetic body around a certain axis in the magnetic space, the magnetic axis for magnetization and applied to the magnetic body The angle of the external magnetic field, which is the angle formed by the direction of the magnetic field Data measurement step of measuring the resistance value (R) of the magnetic material according to the, and the measured angle of the external magnetic field ( Magnetic anisotropy constant calculation step of calculating the magnetic anisotropy constant (K) of the magnetic material by using the resistance value (R) according to).
데이터측정단계는,Data measurement step,
자성체의 양단의 전극을 통해 자성체에 일정한 전류를 공급하는 전류공급단계, 자성체의 양단의 전극을 통해 자성체의 전압을 측정하되, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 전압값을 측정하는 전압측정단계, 및 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 전압값을 외부자기장의 각도()에 따른 저항값(R)으로 변환하는 데이터변환단계를 포함하는 것이 바람직하다.The current supply step of supplying a constant current to the magnetic material through the electrodes on both ends of the magnetic material, by measuring the voltage of the magnetic material through the electrodes on both ends of the magnetic material, the angle of the external magnetic field ( The voltage measuring step of measuring the voltage value of the magnetic material according to, and the measured angle of the external magnetic field ( Voltage value according to) It is preferable to include a data conversion step of converting the resistance value (R) according to.
자기이방성상수 연산단계는,Magnetic anisotropy constant calculation step,
측정된 외부자기장의 각도()에 따른 저항값(R)을 이용하여, 측정된 저항값(R)과 외부자기장의 각도()의 함수를, 자성체의 자화용이축과 자화방향이 이루는 각도인 자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수로 변환하는 변환단계와,Measured external magnetic field angle ( Using the resistance value R according to), the measured resistance value R and the angle of the external magnetic field ( The function of) is the angle of magnetization (θ), which is the angle between the easy axis of magnetization and the magnetization direction, and the angle of the external magnetic field ( A conversion step of converting the
자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수를, 이론식Magnetization angle (θ) and angle of external magnetic field ( ) Function,
에 적용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하는 연산단계를 포함하고, Computing the magnetic anisotropy constant (K) of the magnetic material by applying to,
H는 자성체 인가되는 자기장의 세기이며, M은 자성체의 포화자화상수인 것이 바람직하다.H is the strength of the magnetic field applied to the magnetic material, M is preferably the saturation magnetization constant of the magnetic material.
본 발명에 따른 자기이방성상수 측정방법은, 균일한 자기장을 인가하여 자기공간을 형성하는 자기장 인가단계, 자기공간 내에서 자성체를 일정한 축을 중심으로 회전시키는 회전단계, 자성체의 자화용이축과 자성체에 인가되는 자기장의 방향 이 이루는 각도인, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 홀 전압값(VH)을 측정하는 데이터측정단계, 및 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 홀 전압값(VH)을 이용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하는 자기이방성상수 연산단계를 포함한다.Magnetic anisotropy constant measuring method according to the present invention, a magnetic field applying step of forming a magnetic space by applying a uniform magnetic field, a rotating step of rotating the magnetic body about a certain axis in the magnetic space, the magnetic axis for magnetization and applied to the magnetic body The angle of the external magnetic field, which is the angle formed by the direction of the magnetic field, The data measuring step of measuring the Hall voltage value (V H ) of the magnetic material according to, and the angle of the measured external magnetic field ( Magnetic anisotropy constant calculation step of calculating the magnetic anisotropy constant (K) of the magnetic material using the Hall voltage value (V H ) according to).
데이터측정단계는,Data measurement step,
자성체의 제1 양단의 전극을 통해 자성체에 일정한 전류를 공급하는 전류공급단계, 및 자성체의 제1 양단의 전극에 대하여 수직으로 교차하는 위치에 있는 제2 양단의 전극을 통해 자성체의 홀 전압값(VH)을 측정하되, 외부자기장의 각도()에 따라 자성체의 홀 전압값(VH)을측정하는 전압측정단계를 포함하는 것이 바람직하다.A current supplying step of supplying a constant current to the magnetic material through the electrodes at the first both ends of the magnetic material, and the Hall voltage value of the magnetic material through the electrodes at both ends perpendicular to the electrodes of the first both ends of the magnetic material ( V H ), but the angle of the external magnetic field ( It is preferable to include a voltage measuring step of measuring the Hall voltage value (V H ) of the magnetic material according to).
자기이방성상수 연산단계는,Magnetic anisotropy constant calculation step,
측정된 외부자기장의 각도()에 따른 홀 전압값을 이용하여, 측정된 홀전압(VH)과 외부자기장의 각도()의 함수를, 자성체의 자화용이축과 자화방향이 이루는 각도인 자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수로 변환하는 변환단계와,Measured external magnetic field angle ( Using the Hall voltage value according to), the measured Hall voltage (V H ) and the angle of the external magnetic field ( The function of) is the angle of magnetization (θ), which is the angle between the easy axis of magnetization and the magnetization direction, and the angle of the external magnetic field ( A conversion step of converting the
자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()의 함수를, 이론식Magnetization angle (θ) and angle of external magnetic field ( ) Function,
에 적용하여 자성체의 자기이방성상수(K)를 연산하는 연산단계를 포함하고,Computing the magnetic anisotropy constant (K) of the magnetic material by applying to,
H는 자성체 인가되는 자기장의 세기이며, M은, 자성체의 포화자화상수인 것 이 바람직하다.H is the strength of the magnetic field applied to the magnetic material, M is preferably the saturation magnetization constant of the magnetic material.
본 발명에 따르면, 자성체의 전기저항 또는 홀 전압과 같은 전기적인 신호를 측정하여 자기이방성상수를 구하기 때문에 외부 진동과 내구성의 문제에 민감하지 않다.According to the present invention, since the magnetic anisotropy constant is obtained by measuring an electrical signal such as the electrical resistance or the hall voltage of the magnetic body, it is not sensitive to external vibration and durability problems.
또한, 시료 크기의 제한이 없으며, 오히려 시료의 크기가 작을수록 측정되는 신호의 크기는 커지게 되므로, 측정이 더욱 용이하다.In addition, there is no limitation on the size of the sample. Rather, the smaller the size of the sample, the larger the size of the signal to be measured, and thus the measurement is easier.
또한, 시료의 전기저항을 측정하는 영역을 바꾸어주면, 시료의 특정영역만 선별적으로 측정할 수 있다.In addition, if the area for measuring the electrical resistance of the sample is changed, only a specific area of the sample can be measured selectively.
이하에는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in detail.
먼저, 수평자기이방성을 갖는 시료의 자기이방성상수를 측정하는 제1 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치에 대하여 상세히 설명한다.First, the magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to the first embodiment for measuring the magnetic anisotropy constant of a sample having horizontal magnetic anisotropy will be described in detail.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing the configuration of a magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치는 자기장발생부(100), 회전부(200), 데이터측정부(300) 및 자기이방성상수 연산부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a magnetic
자기장발생부(100)는, 소정의 공간 내에 균일한 자기장을 인가하여 자기공간 을 형성할 수 있다.The magnetic
회전부(200)는, 자기장발생부(100)를 통해 형성된 자기공간 내에서 시료(500)를 일정한 축을 중심으로 자유롭게 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 시료(500)는 회전부(200)의 회전축에 대하여 수직이 되도록 고정된 후, 외부자기장의 방향과 평행인 방향에서부터 반 평행 방향으로 회전축을 중심으로 360도 회전될 수 있다.The rotating
데이터측정부(300)는, 외부자기장 각도()에 따라 시료(500)의 저항값(R)을 측정한다. 여기서, 외부자기장 각도()는 시료(500)의 자화용이축과 시료(500)에 인가되는 자기장의 방향이 이루는 각도를 의미한다. The
데이터측정부(300)는 전류공급부, 전압측정부 및 데이터변환부로 구성될 수 있다. 전류공급부는 도 2에 도시된 바와 같이, 시료(500)의 양단의 전극과 연결될 수 있고, 양단의 전극을 통해 시료(500)에 일정한 전류를 공급할 수 있다. 전압측정부도 시료(500)의 양단의 전극과 연결되며, 양단의 전극을 통해 시료(500)의 전압을 측정할 수 있다. 이때, 전압측정부는, 외부자기장 각도()에 따라 시료(500)의 전압값을 측정한다. 데이터변환부는 전압측정부를 통해 측정된 전압값을 외부자기장의 각도()에 따른 저항값(R)으로 변환할 수 있다. 이때, 시료(500)에 공급되는 전류값을 알 수 있으므로, 데이터변환부는 옴의 법칙(V=IR)의 원리를 이용하여, 측정된 전압값을 저항값으로 변환할 수 있다. 따라서 데이트측정부(300)를 통해 외부자기장의 각도()에 따라 시료(500)의 저항값(R)을 측정할 수 있게 된다. The
한편, 데이터측정부(300)는 전류공급부, 전압측정부 및 데이터변환부의 구성으로 한정되는 것이 아니라, 물질의 전기저항을 측정할 수 있는 구성이면 가능하다.On the other hand, the
제1 실시예에서 사용된 시료(500)는 약 600nm의 폭을 가진 얇은 리본 형태의 강자성 나노선이며, 수평자기이방성을 갖는 물질로서, 펌얼로이(permalloy) 선 구조를 갖는다. 여기서, 펌얼로이는 니켈 80%, 철 20% 정도로 구성된 합금을 의미한다. 이 물질은 원자의 결정구조에 의한 자성선호방향이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 결국, 펌얼로이 마이크로 또는 나노미터 정도 크기의 시료를 만들면, 물질의 형태에만 의존하는 자성선호방향이 생기게 된다. 특히, 이 물질을 도 2a에 도시된 바와 같이, 길쭉한 형태로 만들면, 길이방향으로 자화상태가 정렬된다. The
제1 실시예에서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 비등방성자기저항현상을 이용하여 펌얼로이 선구조 시료(500)의 자화상태를 길이방향에서 폭방향으로 바뀔 때의 자기이방성상수를 측정하였다. 비등방성자기저항현상은, 이방성 자기저항(anisotropy magnetoresistance, AMR)으로 알려져 있다. AMR 현상이란, 전류의 방향과 자성물질 내부의 자화방향에 따라 전기저항 값이 바뀌게 되는 현상을 의미한다. 보다 구체적으로 설명하면, 자성물질에 흐르는 전류의 방향과 자화방향이 평행 또는 반 평행하게 되면, 그 물질의 전기저항은 최대가 되고, 수직이 되면 최소가 되는 현상이다. 이러한, AMR 현상에 따른 수평자기이방성을 갖는 자성체의 저항(R)은 하기의 수식과 같이 나타낼 수 있다.In the first embodiment, as shown in FIG. 2B, anisotropic magnetoresistance was used to measure the magnetic anisotropy constant when the magnetization state of the
수학식 1에서, R은 측정되는 자성체의 저항값이고, R0는 외부 자기장이 없을 경우, 자성체의 저항값이고, △R는 측정된 저항값의 최대 변화량이고, θ는 자성체에 흐르는 전류의 방향과 자성체의 자화방향이 이루는 각도인 자화각도를 의미한다. 이러한 저항값(R)은, 자화각도(θ)가 0도 또는 180도(평행 또는 반 평행)가 되면, sin 값이 0이 되어 R0로 최대가 되고, 90도 또는 270도가 되면, sin 값이 1이 되어 R0-△R로 최소가 됨을 알 수 있다. 시료를 한 바퀴 회전시킬 경우, 시료의 회전각에 따라 측정되는 저항 신호는 도3과 같이 나타날 수 있다. In Equation 1, R is the resistance value of the magnetic body to be measured, R 0 is the resistance value of the magnetic body when there is no external magnetic field, ΔR is the maximum change amount of the measured resistance value, and θ is the direction of the current flowing through the magnetic body. Means a magnetization angle which is an angle formed by the magnetization direction of the magnetic material. This resistance value R is a sin value of 0 when the magnetization angle θ becomes 0 degrees or 180 degrees (parallel or anti-parallel) and becomes a maximum of R 0 when the magnetization angle θ is 0 degrees or 180 degrees (parallel or anti-parallel). It becomes 1 and it turns out that it becomes the minimum by R < -> R. When the sample is rotated once, the resistance signal measured according to the rotation angle of the sample may appear as shown in FIG. 3.
이와 같이, AMR 현상에 따르면, 수평자기이방성을 갖는 자성체의 저항값은, 그 자성체에 흐르는 전류의 방향과 자화방향이 이루는 각도 즉, 자화각도(θ)에 의존하는 결과를 보여주고 있으며, 또한, sin2θ에 의존성이 있음을 알 수 있다.As described above, according to the AMR phenomenon, the resistance value of the magnetic material having horizontal magnetic anisotropy shows a result depending on the angle formed between the direction of the current flowing through the magnetic material and the magnetization direction, that is, the magnetization angle θ. It can be seen that there is a dependency on sin 2 θ.
실제 측정에서는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 외부자기장의 세기(H)를 2780 Oe로 고정시킨 상태에서 외부자기장 각도()에 따라 시료(500)의 저항값(R)을 측정하였다.In the actual measurement, as shown in Fig. 4a, the external magnetic field angle (with the intensity H of the external magnetic field fixed at 2780 Oe) ), The resistance value R of the
자기이방성상수 연산부(400)는 데이터측정부(300)를 통해 측정된 시료(500)의 저항값(R)을 이용하여 시료(500)의 자기이방성상수(K)를 연산한다.The magnetic anisotropy
자기이방성상수 연산부(400)에 대한 설명에 앞서, 자기이방성상수(R)를 구하 기 위한 'Stoner-Wohlfarth' 단자구 이론에 대하여 간략하게 설명한다.Prior to the description of the magnetic anisotropy
본 발명의 제1 실시예에서 사용된 시료인 펌얼로이 물질은, 외부 자기장이 없으면, 물질의 자화방향이 한쪽 방향으로 정렬해 있으려는 특성이 있으며, 이를, 자화방향이 자화용이축으로 정렬해 있다고 한다. 특히, 펌얼로이 물질은 길이방향으로 자화방향이 정렬되어있는데, 이때, 외부에서 자기장이 인가되면, 정렬된 자화방향이 외부 자기장 쪽으로 치우치게 된다. 펌얼로이 물질 즉, 자성체의 자화용이축과 자화방향이 이루는 각도를 θ, 자성체에 인가되는 외부 자기장의 세기를 H, 자성체의 포화자화상수를 M, 자성체의 외부자기장 각도를 라고 하면, 자성체의 에너지 E는 하기의 수식과 같이 나타낼 수 있다.The sample material used in the first embodiment of the present invention has a property that, if there is no external magnetic field, the magnetization direction of the material is aligned in one direction, and the magnetization direction is aligned with the biaxial axis for magnetization. do. In particular, the physical material is aligned in the magnetization direction in the longitudinal direction, when the external magnetic field is applied, the aligned magnetization direction is biased toward the external magnetic field. The angle between the magnetization axis and the magnetization direction of the magnetic material, θ, the intensity of the external magnetic field applied to the magnetic body, H, the saturation magnetization constant of the magnetic body, and the angle of the external magnetic field of the magnetic body. In this case, the energy E of the magnetic body can be expressed by the following formula.
수학식 2에서 E는 자성체의 에너지 값이고, K는 자기이방성상수를 의미한다. 또한, 첫 번째 항 'Ksin2θ'은 시료(500)의 자기이방에너지를 의미하는 항으로, 시료의 자화방향이 자화용이축으로 있을 때(즉, 자화각도(θ)가 0도 또는 180도일 경우)에 0이 되고, 자화각도(θ)가 수직일 때(즉, θ가 90도 또는 270도일 경우) 최대인 K가 된다. 두 번째 항 'HMcos(θ-)'은 지만(Zeeman) 에너지를 의미하는 항으로, 외부 자기장과 시료의 자화방향이 어긋나면 어긋날수록 값이 커지게 된다. 수학식 2의 신호를 θ에 대하여 미분하고, 전체 값이 0인 경우를 찾게 되면, 에너지가 최소가 되는 곳으로써, 모든 변수들의 관계를 결정지을 수 있게 된다. 수학식 2를 미분해 주면, 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In
실제 측정에서는, 외부자기장의 방향, 크기 및 포화자화값도 알고 있으므로 , M, H는 이미 알고 있는 값이다. 따라서, 수학식 3을 참조하면, 자기이방성상수(K)가 고정된 상태에서 외부 자기장 각도()와 자화각도(θ)의 관계를 알 수 있으므로, 측정된 시료의 저항값(R)을 이용하여 자기이방성상수(K)를 구하면 된다. 자기이방성상수(K)를 구하기 위해서는, 시료의 자화방향이 어디인가, 즉, 자화각도(θ)와 외부 자기장 각도()에 대하여 알아야 한다. 여기서, 도 3을 통해 설명한 저항신호는, 자화각도(θ)에 따른 저항값에 대한 신호이며, 외부자기장의 크기(H)와 각도()에 따른 신호가 아님을 유의해야 한다. In actual measurement, the direction, magnitude, and saturation magnetization of the external magnetic field are also known. , M and H are known values. Therefore, referring to Equation 3, the external magnetic field angle (A) is fixed while the magnetic anisotropy constant K is fixed. ) And the magnetization angle (θ) can be known, so the magnetic anisotropy constant (K) can be obtained using the measured resistance (R) of the sample. In order to find the magnetic anisotropy constant (K), where is the magnetization direction of the sample, that is, the magnetization angle θ and the external magnetic field angle ( You should know Here, the resistance signal described with reference to FIG. 3 is a signal for the resistance value according to the magnetization angle θ, and the magnitude (H) and the angle ( Note that this is not a signal according to).
자기이방성상수 연산부(400)는 먼저, 측정된 데이터를 의 관계로 표준화할 수 있다. 즉, 측정된 결과는 저항값(R)과 외부자기장 각도()의 함수로 나타낼 수 있는 데이터이므로, 수학식 3의 이론식에 적용하기 위해서는, 측정된 데이터를 자화각도(R)와 외부자기장의 각도()와의 대응관계를 갖는 데이터로 바꿔줄 필요가 있다. 이때, 측정되는 저항값(R), 측정된 저항값(R)의 최대 변화량(△R), 및 외부 자기장이 없을 경우의 저항값(R0)은 측정을 통해 알 수 있다. 결국, 외부자기장의 각도()에 따른 R, △R 및 R0을 에 대입하면, 외부자기장의 각도()에 따른 자화각도(θ)를 알 수 있으며, 보다 구체적으로, sin2θ=f()에 대한 함수를 얻을 수 있게 된다.The magnetic anisotropy
이와 같은 방식으로 표준화 과정을 거치게 되면, 도 4b에 도시된 바와 같은 결과를 얻을 수 있다.When the standardization process is performed in this manner, a result as shown in FIG. 4B can be obtained.
다음, 표준화된 데이터를 수학식 3의 이론식에 적용하여 자기이방성상수값(K)을 연산한다. 수학식 3의 이론식에 있어서, 외부자기장의 세기(H)와 시료(500)의 포화자화값(M)은 알고 있으므로, 자기이방성상수값(K)을 변화시키면서, 변화하는 자기이방성상수값(K)에 따라, 외부자기장의 각도()와 자화각도(θ)의 관계를 알 수 있다. 즉, 수학식 3을 통해 나타낸 이론식은 외부자기장 각도()와, sin2θ의 관계로 나타내 줄 수 있으며, 이를 그래프로 나타낼 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 도 5에 도시된 그래프는 자기이방성상수값(K)이 바뀜에 따라 그 형태가 조금씩 바뀌게 된다. 결국, 여러 형태로 나타내어지는 그래프 중 표준화된 데이터 그래프와 가장 잘 겹치는 그래프의 자기이방성상수(K)를 찾음으로써, 시료(500)의 자기이방성상수값(K)을 구하게 된다.Next, the magnetic anisotropy constant K is calculated by applying the standardized data to the equation of Equation 3. In the formula of Equation 3, since the strength H of the external magnetic field and the saturation magnetization value M of the
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정된 experimental data 그래프와 'Stoner-Wohlfarth' 모델을 이용하여 계산된 theoretical calculation 그래프를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a theoretical calculation graph calculated using an experimental data graph and a 'Stoner-Wohlfarth' model measured according to a first embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정된 experimental data 그래프를, 'Stoner-Wohlfarth' 모델로 계산된 theoretical calculation 그래프로 맞춤(fitting)해 주었을 경우, experimental data 그래프와 잘 겹치는 theoretical calculation 그래프가 존재한다. 따라서 experimental data에 잘 맞는 자기이방성상수(K)가 theoretical calculation에 존재한다라는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, when the experimental data graph measured according to the first embodiment of the present invention is fitted with a theoretical calculation graph calculated by a 'Stoner-Wohlfarth' model, the theoretical data well overlaps with the experimental data graph. A calculation graph exists. Therefore, it can be seen that the magnetic anisotropy constant (K) that fits the experimental data exists in the theoretical calculation.
본 발명의 제1 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치는, 자성체의 자화상태에서 발생하는 힘을 측정하는 대신 전기적인 신호 즉, 전기저항을 측정하기 때문에 외부 진동과 내구성의 문제에 민감하지 않다. The magnetic anisotropy constant measuring device according to the first embodiment of the present invention is not sensitive to the problems of external vibration and durability because it measures an electrical signal, that is, an electrical resistance, instead of measuring a force generated in a magnetized state of the magnetic body.
또한, 기존의 토크마그네토미터는 실제 힘을 측정하므로, 시료의 크기를 줄이는데 한계가 있으나, 본 발명의 자기이방성상수 측정장치는 시료 크기의 제한이 없으며, 오히려 시료의 크기가 작을수록 측정되는 전기저항의 크기는 커지게 되므로, 측정이 더욱 용이하다. In addition, since the conventional torque magnetometer measures the actual force, there is a limit to reducing the size of the sample, the magnetic anisotropy constant measuring device of the present invention is not limited to the size of the sample, rather the electrical resistance measured as the size of the sample Since the size of the becomes larger, the measurement is easier.
또한, 시료의 전기저항을 측정하는 영역을 바꾸어주면, 시료의 특정영역만 선별적으로 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, if the area for measuring the electrical resistance of the sample is changed, only the specific area of the sample can be measured selectively.
이하에는, 수직자기이방성을 갖는 시료의 자기이방성상수를 측정하는 제2 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to the second embodiment for measuring the magnetic anisotropy constant of the sample having perpendicular magnetic anisotropy will be described in detail.
도 1은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing the configuration of a magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치는 자기장발생부(100), 회전부(200), 데이터측정부(300) 및 자기이방성상수 연산부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an apparatus for measuring magnetic anisotropy according to a second embodiment of the present invention includes a magnetic
자기장발생부(100)는 소정의 공간 내에 균일한 자기장을 인가하여 자기공간을 형성할 수 있다.The magnetic
회전부(200)는 자기장발생부(100)를 통해 형성된 자기공간 내에서 시료(500)를 일정한 축을 중심으로 자유롭게 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 시료(500)는 회전부(200)의 회전축에 대하여 수직이 되도록 고정된 후, 외부자기장의 방향과 평행인 방향에서부터 반 평행 방향으로 회전축을 중심으로 360도 회전될 수 있다.The
데이터측정부(300)는 외부자기장 각도()에 따라 시료(500)의 홀 전압값(VH)을 측정한다. 여기서, 외부자기장 각도()는 시료(500)의 자화용이축과, 시료(500)에 인가되는 자기장의 방향이 이루는 각도를 의미한다. The
데이터측정부(300)는 전류공급부와 전압측정부로 구성될 수 있다. 도 7 및 10을 참조하면, 전류공급부는 시료(500)의 제1 양단의 전극(510)과 연결되고, 제1 양단의 전극(510)을 통해 일정한 전류를 공급할 수 있다. 전압측정부는 제1 양단의 전극(510)에 대하여 수직으로 교차하는 위치에 있는 제2 양단의 전극(520)과 연결되고, 제2 양단의 전극(520)을 통해 외부자기장의 각도()에 따른 홀 전압(VH)을 측정할 수 있다.The
제2 실시예에서 사용된 시료(500)는 CoFe 강자성 박막이다. 이 물질은 수직자기이방성을 갖는 물질로서, PMA(perpendicular magnetic anisotropy) 물질로 알 려져 있다. 이러한 PMA 시료는, 도 7a에 도시된 바와 같이, 면 방향에 대하여 수직인 자화방향을 갖고 있다.The
제2 실시예에서는, 스핀 홀 현상을 이용하여 도 7a에 도시된 바와 같이, 면 방향에 수직인 자화상태를 도 7b에 도시된 바와 같이, 수평한 자화상태로 바뀔 때의 자기이방성상수를 측정하였다. 스핀 홀 현상은 'Spin hall effect'라고 하며, 로렌츠 힘(Lorentz force)의 원리를 이용한다. 로렌츠의 힘이란, 자기공간 내에서 이동하는 전자의 이동방향과 자기장 방향에 대하여 수직방향으로 힘이 작용하는 현상을 의미한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 수직자성시료에 일정한 전류를 공급하게 되면, 전류방향과 반대 방향으로 전자가 이동(혹은, 전류방향으로 홀이 이동)하게 되는데, 이때, 전류방향에 대하여 수직방향으로 자기장이 인가되면, 전류방향과 자기장방향에 대하여 수직방향으로 힘이 작용하게 된다. 이렇게 발생된 힘의 방향으로 전자의 이동방향(혹은, 홀의 이동방향)이 바뀌면서, 전자는 시료의 한쪽 편에 쌓이게 된다. 결국, 시료의 양단에 전압차이 즉, 홀 전압이 발생하게 된다. 이러한, 스핀 홀 현상에 따른 수직자기이방성을 갖는 자성체의 홀 전압(VH)은 하기의 수식과 같이 나타낼 수 있다.In the second embodiment, the magnetic anisotropy constant is measured when the magnetization state perpendicular to the plane direction is changed to the horizontal magnetization state as shown in FIG. 7B by using the spin hole phenomenon. . The spin hole phenomenon is called the 'spin hall effect' and uses the principle of Lorentz force. Lorentz's force refers to a phenomenon in which force acts in a direction perpendicular to the direction of movement and magnetic field of electrons moving in the magnetic space. As shown in FIG. 8, when a constant current is supplied to the perpendicular magnetic sample, electrons move (or holes move in the current direction) in a direction opposite to the current direction. When a magnetic field is applied, a force acts in a direction perpendicular to the current direction and the magnetic field direction. As the direction of movement of the electrons (or the direction of movement of the holes) changes in the direction of the force generated in this way, the electrons accumulate on one side of the sample. As a result, a voltage difference, that is, a hall voltage, is generated at both ends of the sample. The hole voltage V H of the magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy according to the spin hole phenomenon can be expressed by the following formula.
수학식 4에서 VH는 측정되는 홀 전압값(VH)이고, R은 비례상수이고, I는 공급되는 전류값이고, M은 자성체의 포화자화상수이고, θ는 시료에 흐르는 전류의 방향과 시료의 자화방향이 이루는 각도인 자화각도(θ)를 의미한다. 여기서, 홀 전압값(VH)은, 자화각도가 한 바퀴 회전하는 경우, 도 9와 같이 나타날 수 있다. In Equation 4, V H is the measured Hall voltage value (V H ), R is the proportional constant, I is the current value to be supplied, M is the saturation magnetization constant of the magnetic material, θ and the direction of the current flowing through the sample It means the magnetization angle (theta) which is the angle which the magnetization direction of a sample makes. Here, the Hall voltage value (V H ), when the magnetization angle rotates once, may appear as shown in FIG.
이와 같이, 스핀 홀 현상에 따르면, 수직자기이방성을 갖는 자성체의 홀 전압값(VH)은, 자화각도(θ)에 의존하는 결과를 보여주고 있으며, 또한, sinθ에 의존성이 있음을 알 수 있다. 도 11은 실험을 통하여 외부자기장의 각도()에 따라 수직자기이방성을 갖는 자성체의 홀 전압값(VH)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.As described above, according to the spin hole phenomenon, the Hall voltage value V H of the magnetic body having the perpendicular magnetic anisotropy shows a result depending on the magnetization angle θ, and also depends on sin θ. . 11 is the angle of the external magnetic field through the experiment ( ) Is a graph showing the result of measuring the Hall voltage value (V H ) of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy according to).
실제 측정에서는, 외부자기장의 크기와 방향이 고정된 상태에서 외부자기장의 각도()에 따라 시료(500)의 홀전압(VH)을 측정하였다.In the actual measurement, the angle of the external magnetic field (with the magnitude and direction of the external magnetic field fixed) ), The Hall voltage (V H ) of the
자기이방성상수 연산부(400)는, 데이터측정부(300)를 통해 측정된 홀 전압값(VH)을 이용하여 시료(500)의 자기이방성상수(K)를 연산한다.The magnetic anisotropy
자기이방성상수 연산부(400)에 대한 설명에 앞서, 자기이방성상수(K)를 구하기 위한 'Stoner-Wohlfarth' 단자구 이론에 대하여 간략하게 설명한다.Prior to the description of the magnetic anisotropy
본 발명의 제2 실시예에서 사용된 시료인 PMA 물질은 외부 자기장이 없으면, 물질의 자화방향이 한쪽 방향으로 정렬해 있으려는 특성이 있으며, 이를, 자화방향이 자화용이축으로 정렬 해 있다라고 한다. 특히, PMA 물질은 면에 수직인 방향으로 자화방향이 정렬되어 있는데, 이때, 외부에서 자기장이 인가되면 정렬된 자화방향이 외부 자기장 쪽으로 치우치게 된다. PMA 물질 즉, 자성체의 자화용이축과 자화방향이 이루는 각도를 θ, 자성체에 인가되는 외부 자기장의 세기를 H, 자성체의 포화자화상수를 M, 자성체의 자화용이축과 외부 자기장의 각도를 라고 하면, 자성체의 에너지 E는 하기의 수식과 같이 나타낼 수 있다.The PMA material, which is a sample used in the second embodiment of the present invention, has a property that the magnetization direction of the material is aligned in one direction when there is no external magnetic field, and the magnetization direction is aligned with the biaxial axis for magnetization. . In particular, the PMA material is aligned in the magnetization direction in a direction perpendicular to the plane, and when the magnetic field is applied from the outside, the aligned magnetization direction is biased toward the external magnetic field. The angle between the PMA material, ie, the easy axis and the direction of magnetization of the magnetic body is θ, the intensity of the external magnetic field applied to the magnetic body is H, the saturation magnetization constant of the magnetic body is M, the angle of the magnetic axis and the external magnetic field of the magnetic body. In this case, the energy E of the magnetic body can be expressed by the following formula.
수학식 5에서, E는 자성체의 에너지 값이고, K는 자기이방성상수를 의미한다, 또한, 첫 번째 항 'Ksin2θ'은 시료(500)의 자기이방에너지를 의미하는 항으로, 시료의 자화방향이 자화용이축으로 있을 때(즉, 자화각도(θ)가 0도 또는 180도일 경우)에 0이 되고, 자화각도(θ)가 수직일 때(즉, θ가 90도 또는 270도일 경우) 최대인 K가 된다. 두 번째 항 'HMcos(θ-)'은 지만(Zeeman) 에너지를 의미하는 항으로, 외부 자기장과 시료의 자화방향이 어긋나면 어긋날수록 값이 커지게 된다.In Equation 5, E is the energy value of the magnetic body, K is the magnetic anisotropy constant, and the first term 'Ksin 2 θ' is a term representing the magnetic anisotropy energy of the
수학식 5의 신호를 θ에 대하여 미분하고, 전체 값이 0인 경우를 찾게 되면, 에너지가 최소가 되는 곳으로써, 모든 변수들의 관계를 결정지을 수 있게 된다. 수학식 5를 미분해 주면, 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.When the signal of Equation 5 is differentiated with respect to θ, and the case where the total value is 0 is found, the relationship between all variables can be determined as the energy is minimized. If the equation 5 is not decomposed, it can be expressed as the following equation.
실제 측정에서는, 외부자기장의 방향, 크기 및 포화자화값도 알고 있으므로 , M, H는 이미 알고 있는 값이다. 따라서, 수학식 6을 참조하면, 자기이방성상수(K)가 고정된 상태에서 외부 자기장 각도()와 자화각도(θ)의 관계를 알 수 있 으므로 측정된 시료의 홀 전압값(VH)을 이용하여 자기이방성상수(K)를 구하면 된다. 자기이방성상수(K)를 구하기 위해서는, 시료의 자화방향이 어디인가, 즉, 자화각도(θ)와 외부 자기장 각도()에 대하여 알아야 한다. 도 9을 통해 설명한 홀 전압 신호는 자화각도(θ)에 따른 신호이며, 외부자기장의 크기(H)와 각도()에 따른 신호가 아님을 유의해야 한다. In actual measurement, the direction, magnitude, and saturation magnetization of the external magnetic field are also known. , M and H are known values. Therefore, referring to Equation 6, when the magnetic anisotropy constant K is fixed, the external magnetic field angle ( ) And the magnetization angle (θ), so the magnetic anisotropy (K) can be obtained using the measured Hall voltage (V H ). In order to find the magnetic anisotropy constant (K), where is the magnetization direction of the sample, that is, the magnetization angle θ and the external magnetic field angle ( You should know The Hall voltage signal described with reference to FIG. 9 is a signal according to the magnetization angle θ, and the magnitude (H) and the angle ( Note that this is not a signal according to).
자기이방성상수 연산부(400)는 측정된 데이터를 의 관계로 표준화할 수 있다. 즉, 측정된 결과는 홀 전압값(VH)과 외부자기장 각도()의 함수로 나타낼 수 있는 데이터이므로, 수학식 6의 이론식에 적용하기 위해서는, 측정된 데이터를 자화각도(R)와 외부자기장의 각도()와의 대응관계를 갖는 데이터로 바꿔줄 필요가 있다. The magnetic anisotropy
이에 앞서, 홀 전압을 측정한 경우에는, 외부 자기장의 각도() 범위를 한정할 필요가 있다. 그 이유는, 홀 효과의 경우, 외부 자기장의 각도()가 90도 근처에서 자화역전이 일어나므로, 자화역전이 일어나는 현상까지 이론식에 적용할 수 없기 때문이다. 도 11은 수직자기이방성을 나타내는 CoFe 강자성 박막에 3 KOe 세기의 자기장을 인가하여 홀 전압(VH)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이며, 도 12는 도 11에 도시된 측정 결과를 외부 자기장의 각도() 범위를 -50도에서 50도까지로 한정하여 나타낸 그래프이다. Prior to this, when the Hall voltage is measured, the angle of the external magnetic field ( It is necessary to limit the range. The reason for this is that in the Hall effect, the angle of the external magnetic field ( This is because the magnetization reversal occurs at around 90 degrees, so it cannot be applied to the theory until the magnetization reversal occurs. FIG. 11 is a graph illustrating a result of measuring Hall voltage (V H ) by applying a magnetic field of 3 KOe intensity to a CoFe ferromagnetic thin film exhibiting perpendicular magnetic anisotropy. FIG. 12 is an angle of an external magnetic field. ( ) It is a graph limited to the range from -50 to 50 degrees.
다음, 외부자기장의 각도() 범위가 한정된 홀 전압(VH)과 외부자기장 각도()의 함수를 자화각도(θ)와 외부자기장 각도() 의 함수로 바꿔준다. 즉, 측정된 홀 전압값(VH)을 이용하여 의 관계로 표준화하면, 외부자기장의 각도()와 자화각도(θ)의 함수로 바꿔줄 수 있게 된다. 이때, 비례상수(R), 전류값(I) 및 포화자화값(M)은 이미 알고 있는 고정된 상수이므로, 외부자기장의 각도()에 따른 VH과 고정된 상수인 R, I 및 M을 에 대입하면, 외부자기장의 각도()에 따른 자화각도(θ)를 알 수 있으며, 보다 구체적으로, sinθ=f()에 대한 함수를 얻을 수 있게 된다.Next, the angle of the external magnetic field ( ) Hall voltage with limited range (V H ) and external magnetic field angle ( ) Is a function of magnetization angle (θ) and external magnetic field angle ( To a function of). That is, using the measured Hall voltage value (V H ) Normalized in relation to, the angle of the external magnetic field ( ) And the angle of magnetization (θ). At this time, the proportional constant (R), the current value (I) and the saturation magnetization value (M) are known constant constants, so that the angle of the external magnetic field ( V H according to) and the fixed constants R, I and M If you substitute, the angle of the external magnetic field ( Magnetization angle (θ) according to), more specifically, sinθ = f ( You can get a function for).
다음, 외부자기장의 각도()와 자화각도(θ)의 대응관계를 알 수 있도록 표준화된 데이터를 수학식 6의 이론식에 적용하여 자기이방성상수(K)를 구한다. 수학식 6의 이론식에 있어서, 외부자기장의 세기(H)와 시료(500)의 포화자화값(M)은 알고 있으므로, 자기이방성상수값(K)이 고정된 상태에서 외부자기장의 각도()와 자화각도(θ)의 관계를 알 수 있다. 즉, 수학식 6을 통해 나타낸 신호도 외부자기장의 각도()과 sinθ의 관계로 나타내 줄 수 있다. Next, the angle of the external magnetic field ( ), And the magnetic anisotropy constant (K) is obtained by applying the standardized data to the equation of Equation 6 to know the correspondence between In the formula of Equation 6, since the strength H of the external magnetic field and the saturation magnetization value M of the
여기서, 수학식 6의 이론식을 그래프로 나타낼 경우, 외부자기장의 세기(H)와 시료(500)의 포화자화값(M)은 고정된 상수이므로, 이론식을 그래프로 나타낼 경우, 자기이방성상수값(K)이 바뀜에 따라 형태가 조금씩 다르게 나타나게 된다. 따 라서, 여러 형태의 그래프 중 표준화된 데이터 그래프와 가장 잘 겹치는 그래프의 자기이방성상수(K)를 찾음으로써, 시료(500)의 자기이방성상수(K)을 구하게 된다.Here, when the theoretical formula of Equation 6 is represented as a graph, the strength of the external magnetic field (H) and the saturation magnetization value (M) of the
본 발명의 제2 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치는, 자성체의 자화상태에서 발생하는 힘을 측정하는 대신 전기적인 신호 즉, 홀 전압을 측정하기 때문에 외부 진동과 내구성의 문제에 민감하지 않다. The magnetic anisotropy constant measuring device according to the second embodiment of the present invention is not sensitive to the problems of external vibration and durability because it measures an electrical signal, that is, a hall voltage, instead of measuring a force generated in a magnetized state of the magnetic body.
또한, 기존의 토크마그네토미터는 실제 힘을 측정하므로, 시료의 크기를 줄이는데 한계가 있으나, 본 발명의 자기이방성상수 측정장치는 시료 크기의 제한이 없으므로, 측정이 더욱 용이하다.In addition, since the conventional torque magnetometer measures the actual force, there is a limit to reducing the size of the sample, the magnetic anisotropy constant measuring device of the present invention is not easy because the size of the sample, it is easier to measure.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 수평자기이방성 및 수직자기이방성을 갖는 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.FIG. 13 is a flowchart schematically illustrating a method of measuring magnetic anisotropy constants of magnetic bodies having horizontal magnetic anisotropy and vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 수평자기이방성을 갖는 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 방법은, 균일한 자기장을 인가하여 자기공간을 형성하는 자기장 인가 단계(S1), 자기공간 내에서 자성체를 일정한 축을 중심으로 회전시키는 회전단계(S2), 자성체의 자화용이축과 자성체에 인가되는 자기장의 방향이 이루는 각도인, 외부자기장의 각도에 따라 자성체의 저항값을 측정하는 데이터 측정 단계(S3), 및 측정된 저항값을 이용하여 자성체의 자기이방성상수를 연산하는 자기이방성상수 연산단계(S4)를 포함한다.Referring to FIG. 13, the method for measuring the magnetic anisotropy constant of a magnetic body having horizontal magnetic anisotropy according to the present invention includes applying a uniform magnetic field to form a magnetic space (S1), and forming a magnetic body in the magnetic space. Rotation step (S2) for rotating around a certain axis, a data measuring step (S3) for measuring the resistance value of the magnetic body according to the angle of the external magnetic field, which is the angle between the easy axis of magnetization of the magnetic body and the direction of the magnetic field applied to the magnetic body, And a magnetic anisotropy constant calculating step (S4) of calculating a magnetic anisotropy constant of the magnetic body by using the measured resistance value.
본 발명에 따른 수평자기이방성을 갖는 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 방법은, 상술한 제1 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치에 대한 상세한 설명의 내용과 동일하므로, 본 발명에 따른 수평자기이방성을 갖는 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 방법에 대한 상세한 설명은, 상술한 제1 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치에 대한 상세한 설명으로 대체한다.Since the method of measuring the magnetic anisotropy constant of the magnetic body having the horizontal magnetic anisotropy according to the present invention is the same as that of the detailed description of the apparatus for measuring the magnetic anisotropy constant according to the first embodiment described above, the horizontal magnetic anisotropy according to the present invention The detailed description of the method for measuring the magnetic anisotropy constant of the magnetic material having a magnetic field is replaced with the detailed description of the magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to the first embodiment described above.
한편, 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 수직자기이방성을 갖는 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 방법은, 균일한 자기장을 인가하여 자기공간을 형성하는 자기장 인가 단계(S1), 자기공간 내에서 자성체를 일정한 축을 중심으로 회전시키는 회전단계(S2), 자성체의 자화용이축과 자성체에 인가되는 자기장의 방향이 이루는 각도인, 외부자기장의 각도에 따라 자성체의 홀 전압값을 측정하는 데이터 측정 단계(S3), 및 측정된 홀 전압값을 이용하여 자성체의 자기이방성상수를 연산하는 자기이방성상수 연산단계(S4)를 포함한다.On the other hand, referring to Figure 13, the method for measuring the magnetic anisotropy constant of the magnetic body having a perpendicular magnetic anisotropy according to the present invention, the magnetic field applying step (S1) to form a magnetic space by applying a uniform magnetic field in the magnetic space A rotation step (S2) of rotating the magnetic body about a certain axis, and a data measuring step of measuring the Hall voltage value of the magnetic body according to the angle of the external magnetic field, which is an angle formed between the easy axis of magnetization of the magnetic body and the direction of the magnetic field applied to the magnetic body ( S3), and a magnetic anisotropy constant calculating step (S4) for calculating the magnetic anisotropy constant of the magnetic material using the measured Hall voltage value.
본 발명에 따른 수직자기이방성을 갖는 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 방법은, 상술한 제2 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치에 대한 상세한 설명의 내용과 동일하므로, 본 발명에 따른 수직자기이방성을 갖는 자성체의 자기이방성상수를 측정하는 방법에 대한 상세한 설명은, 상술한 제2 실시예에 따른 자기이방성상수 측정장치에 대한 상세한 설명으로 대체한다.Since the method of measuring the magnetic anisotropy constant of the magnetic body having the perpendicular magnetic anisotropy according to the present invention is the same as that of the detailed description of the apparatus for measuring the magnetic anisotropy constant according to the second embodiment, the perpendicular magnetic anisotropy according to the present invention The detailed description of the method for measuring the magnetic anisotropy constant of the magnetic material having a magnetic field is replaced with the detailed description of the magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to the second embodiment described above.
이상, 본 발명은 자성체의 전기저항 또는 홀 전압 측정을 통해 자기이방성상수를 측정하는 장치 및 측정 방법에 관하여 상세히 설명하였으나, 이에 한정하지 않고, 자성체의 자화상태에서 발생하는 전기적 신호를 이용하여 자기이방성상수를 측정할 수 있는 자기이방성상수 측정장치 및 측정방법 등에 적용할 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. In the above, the present invention has been described in detail with respect to the apparatus and measuring method for measuring the magnetic anisotropy constant by measuring the electrical resistance or the Hall voltage of the magnetic material, not limited to this, magnetic anisotropy using the electrical signal generated in the magnetic state of the magnetic material It will be understood that the present invention can be applied to an anisotropic constant measuring device and a measuring method capable of measuring a constant.
그러므로, 이상에서 기술한 전기저항 또는 홀 전압 측정을 이용한 자기이방성상수 측정장치 및 측정방법에 대한 실시 예는, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, embodiments of the magnetic anisotropy constant measuring apparatus and measuring method using the above-described electrical resistance or hall voltage measurement are to be understood as illustrative and not limiting in all respects, and the scope of the present invention is described in detail above. The present invention is indicated by the following claims rather than by the description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 자기이방성상수 측정장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a schematic configuration of a magnetic anisotropy constant measuring apparatus according to the present invention.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시료의 특성을 나타낸 도면.2 is a view showing the characteristics of the sample according to the first embodiment of the present invention.
도 3은 자화각도에 따른 수평자기이방성을 갖는 자성체의 이방성 자기저항을 개념적으로 나타낸 그래프.3 is a graph conceptually showing anisotropic magnetoresistance of a magnetic body having horizontal magnetic anisotropy according to magnetization angle.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 자성체의 저항값을 나타낸 그래프.4A is an angle of an external magnetic field measured according to the first embodiment of the present invention. A graph showing the resistance value of the magnetic body according to).
도 4b는 도 4a에 도시된 측정결과를 자화각도(θ)와 외부자기장의 각도()와의 관계로 표준화하여 나타낸 그래프.4B shows the measurement result shown in FIG. 4A using the magnetization angle θ and the angle of the external magnetic field ( Normalized graph in relation to).
도 5는 단자구 모델에 따른 기준신호를 자화각도(θ)와 외부자기장()의 각도와의 관계로 나타낸 그래프.5 is a reference signal according to the terminal model is a magnetization angle (θ) and the external magnetic field ( A graph showing the relationship with the angle of).
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정된 experimental data 그래프와 'Stoner-Wohlfarth' 모델을 이용하여 계산된 theoretical calculation 그래프를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a theoretical calculation graph calculated using an experimental data graph and a 'Stoner-Wohlfarth' model measured according to a first embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료의 특성을 나타낸 도면.7 is a view showing the characteristics of the sample according to the second embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에서 이용하는 스핀 홀 현상을 개념적으로 나타낸 도면.8 is a diagram conceptually showing a spin hole phenomenon used in a second embodiment of the present invention.
도 9는 자화각도에 따른 수직자기이방성을 갖는 자성체의 홀 전압을 개념적 으로 나타낸 그래프.9 is a graph conceptually showing the Hall voltage of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy according to the magnetization angle.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료의 전극 연결방식을 나타낸 도면.10 is a view showing an electrode connection method of a sample according to a second embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따라 측정된 외부자기장의 각도()에 따른 자성체의 홀 전압을 나타낸 그래프.11 is an angle of the external magnetic field measured according to the second embodiment of the present invention ( The graph showing the Hall voltage of the magnetic material according to).
도 12는 도 11의 측정결과에서 외부자기장의 각도()를 한정하여 나타낸 홀 전압 신호를 나타낸 도면.12 is an angle of an external magnetic field in the measurement result of FIG. Is a diagram showing a Hall voltage signal defined by "
도 13은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 자기이방성상수 측정방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.13 is a flow chart schematically showing a method for measuring magnetic anisotropy constants according to the first and second embodiments of the present invention.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090044199A KR20100125144A (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Apparatus for magnetic anisotropy constant measurement |
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KR1020090044199A KR20100125144A (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Apparatus for magnetic anisotropy constant measurement |
Publications (1)
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ID=43409105
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KR1020090044199A KR20100125144A (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Apparatus for magnetic anisotropy constant measurement |
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KR (1) | KR20100125144A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9041389B2 (en) | 2012-07-27 | 2015-05-26 | International Business Machines Corporation | Hall measurement system with rotary magnet |
US9678040B2 (en) | 2015-04-09 | 2017-06-13 | International Business Machines Corporation | Rotating magnetic field hall measurement system |
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2009
- 2009-05-20 KR KR1020090044199A patent/KR20100125144A/en not_active Application Discontinuation
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US9678040B2 (en) | 2015-04-09 | 2017-06-13 | International Business Machines Corporation | Rotating magnetic field hall measurement system |
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