disclaimer - inha · 2012-04-02 · fig. 4.1 vibrating sample magnetometer (vsm) 28 fig. 4.2...

71
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저 시 하는 원저 를 시하여야 합니다

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경 지 하는 저 물 개 형 또는 가공할 수 없습니다

이학석사학위 청구논문

Vector Network Analyzer 강자성 공명을

이용한 PyPd 이중박막의 역 스핀 홀 효과

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer Ferromagnetic resonance

2011년 8월

인하대학교 대학원

물리학과(이론 및 물성물리 전공)

김 홍 현

이학석사학위 청구논문

Vector Network Analyzer 강자성 공명을

이용한 PyPd 이중박막의 역 스핀 홀 효과

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer Ferromagnetic resonance

2011년 8월

지도교수 유 천 열

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

인하대학교 대학원

물리학과(이론 및 물성물리 전공)

김 홍 현

이 논문을 김홍현의 석사학위논문으로 인정함

2011년 8월

주심 이 병 찬

부심 유 천 열

위원 허 남 정

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer

Ferromagnetic resonance

by

Hong-Hyoun Kim

A THESIS

Submitted to the faculty of

INHA UNIVERSITY

In partial fulfillment of the requirements

For the degree of

MASTER OF SCIENCE

Department of Physics

August 2011

i

목 차

그림 목차 ⅲ

표 목차 ⅵ

국문 요약 ⅶ

영문 요약 ⅷ

1 서 론 1

2 이론적 배경 3

21 강자성 공명 3

22 스핀 펌핑 5

23 역 스핀 홀 효과 7

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작 14

31 샘플 제작 방법 14

311 포토리소그래피 14

312 DC 마그네트론 스퍼터링 17

313 이온 밀링 23

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조 26

4 측정 및 분석 28

41 시료 진동 자력계 28

42 자기-광학 Kerr 효과 30

43 벡터 네트워크 분석기 32

5 결과 및 논의 37

51 자기이력곡선 측정 결과 39

52 강자성 공명 측정 결과 41

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과 49

ii

6 결 론 52

참고 문헌 54

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

이학석사학위 청구논문

Vector Network Analyzer 강자성 공명을

이용한 PyPd 이중박막의 역 스핀 홀 효과

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer Ferromagnetic resonance

2011년 8월

인하대학교 대학원

물리학과(이론 및 물성물리 전공)

김 홍 현

이학석사학위 청구논문

Vector Network Analyzer 강자성 공명을

이용한 PyPd 이중박막의 역 스핀 홀 효과

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer Ferromagnetic resonance

2011년 8월

지도교수 유 천 열

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

인하대학교 대학원

물리학과(이론 및 물성물리 전공)

김 홍 현

이 논문을 김홍현의 석사학위논문으로 인정함

2011년 8월

주심 이 병 찬

부심 유 천 열

위원 허 남 정

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer

Ferromagnetic resonance

by

Hong-Hyoun Kim

A THESIS

Submitted to the faculty of

INHA UNIVERSITY

In partial fulfillment of the requirements

For the degree of

MASTER OF SCIENCE

Department of Physics

August 2011

i

목 차

그림 목차 ⅲ

표 목차 ⅵ

국문 요약 ⅶ

영문 요약 ⅷ

1 서 론 1

2 이론적 배경 3

21 강자성 공명 3

22 스핀 펌핑 5

23 역 스핀 홀 효과 7

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작 14

31 샘플 제작 방법 14

311 포토리소그래피 14

312 DC 마그네트론 스퍼터링 17

313 이온 밀링 23

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조 26

4 측정 및 분석 28

41 시료 진동 자력계 28

42 자기-광학 Kerr 효과 30

43 벡터 네트워크 분석기 32

5 결과 및 논의 37

51 자기이력곡선 측정 결과 39

52 강자성 공명 측정 결과 41

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과 49

ii

6 결 론 52

참고 문헌 54

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

이학석사학위 청구논문

Vector Network Analyzer 강자성 공명을

이용한 PyPd 이중박막의 역 스핀 홀 효과

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer Ferromagnetic resonance

2011년 8월

지도교수 유 천 열

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

인하대학교 대학원

물리학과(이론 및 물성물리 전공)

김 홍 현

이 논문을 김홍현의 석사학위논문으로 인정함

2011년 8월

주심 이 병 찬

부심 유 천 열

위원 허 남 정

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer

Ferromagnetic resonance

by

Hong-Hyoun Kim

A THESIS

Submitted to the faculty of

INHA UNIVERSITY

In partial fulfillment of the requirements

For the degree of

MASTER OF SCIENCE

Department of Physics

August 2011

i

목 차

그림 목차 ⅲ

표 목차 ⅵ

국문 요약 ⅶ

영문 요약 ⅷ

1 서 론 1

2 이론적 배경 3

21 강자성 공명 3

22 스핀 펌핑 5

23 역 스핀 홀 효과 7

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작 14

31 샘플 제작 방법 14

311 포토리소그래피 14

312 DC 마그네트론 스퍼터링 17

313 이온 밀링 23

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조 26

4 측정 및 분석 28

41 시료 진동 자력계 28

42 자기-광학 Kerr 효과 30

43 벡터 네트워크 분석기 32

5 결과 및 논의 37

51 자기이력곡선 측정 결과 39

52 강자성 공명 측정 결과 41

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과 49

ii

6 결 론 52

참고 문헌 54

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

1 Maekawa S Concepts in Spin Electronics (Oxford Univ Press

Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

(2004) 3 Wolf S A Awschalom D D Buhrman R A Daughton J M von

Molnar S Roukes M L Nat Mater 7 125 (2008) 4 Se-Chung Oh et al Nature Physics 5 898-902 (2009)

5 C-Y You Curr Appl Phys 10 952-956 (2010)

6 M H Jung et al Phys Revb B 81 134491 (2010)

7 C-Y You Journal of Magnetics 14 No 4 (2009)

8 A Bisig et al Appl Phys Lett 95 162504 (2009)

9 S S P Parkin US Patent No 6834005 (2004)

10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

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(2010) 17

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- 55 -

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S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

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(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

이 논문을 김홍현의 석사학위논문으로 인정함

2011년 8월

주심 이 병 찬

부심 유 천 열

위원 허 남 정

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer

Ferromagnetic resonance

by

Hong-Hyoun Kim

A THESIS

Submitted to the faculty of

INHA UNIVERSITY

In partial fulfillment of the requirements

For the degree of

MASTER OF SCIENCE

Department of Physics

August 2011

i

목 차

그림 목차 ⅲ

표 목차 ⅵ

국문 요약 ⅶ

영문 요약 ⅷ

1 서 론 1

2 이론적 배경 3

21 강자성 공명 3

22 스핀 펌핑 5

23 역 스핀 홀 효과 7

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작 14

31 샘플 제작 방법 14

311 포토리소그래피 14

312 DC 마그네트론 스퍼터링 17

313 이온 밀링 23

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조 26

4 측정 및 분석 28

41 시료 진동 자력계 28

42 자기-광학 Kerr 효과 30

43 벡터 네트워크 분석기 32

5 결과 및 논의 37

51 자기이력곡선 측정 결과 39

52 강자성 공명 측정 결과 41

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과 49

ii

6 결 론 52

참고 문헌 54

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

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0

50

100

-100

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0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

Inverse Spin Hall Effect in a PyPd bilayer thin film

using Vector Network Analyzer

Ferromagnetic resonance

by

Hong-Hyoun Kim

A THESIS

Submitted to the faculty of

INHA UNIVERSITY

In partial fulfillment of the requirements

For the degree of

MASTER OF SCIENCE

Department of Physics

August 2011

i

목 차

그림 목차 ⅲ

표 목차 ⅵ

국문 요약 ⅶ

영문 요약 ⅷ

1 서 론 1

2 이론적 배경 3

21 강자성 공명 3

22 스핀 펌핑 5

23 역 스핀 홀 효과 7

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작 14

31 샘플 제작 방법 14

311 포토리소그래피 14

312 DC 마그네트론 스퍼터링 17

313 이온 밀링 23

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조 26

4 측정 및 분석 28

41 시료 진동 자력계 28

42 자기-광학 Kerr 효과 30

43 벡터 네트워크 분석기 32

5 결과 및 논의 37

51 자기이력곡선 측정 결과 39

52 강자성 공명 측정 결과 41

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과 49

ii

6 결 론 52

참고 문헌 54

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

i

목 차

그림 목차 ⅲ

표 목차 ⅵ

국문 요약 ⅶ

영문 요약 ⅷ

1 서 론 1

2 이론적 배경 3

21 강자성 공명 3

22 스핀 펌핑 5

23 역 스핀 홀 효과 7

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작 14

31 샘플 제작 방법 14

311 포토리소그래피 14

312 DC 마그네트론 스퍼터링 17

313 이온 밀링 23

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조 26

4 측정 및 분석 28

41 시료 진동 자력계 28

42 자기-광학 Kerr 효과 30

43 벡터 네트워크 분석기 32

5 결과 및 논의 37

51 자기이력곡선 측정 결과 39

52 강자성 공명 측정 결과 41

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과 49

ii

6 결 론 52

참고 문헌 54

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

ii

6 결 론 52

참고 문헌 54

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

iii

그림 목차

Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective

magnetic field Heff 4

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer 6

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b)

A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)

7

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic

metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping

and an electric current generated by ISHE respectively 9

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for a

Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes

the microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the

electric-potential difference between the electrodes on the Pt

layer18

10

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide

direction32

12

Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

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(2009)

- 56 -

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K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

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Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

iv

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and

solid lines respectively32

12

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조 13

Fig 31 spin-coater 14

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner) 15

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류 16

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크 16

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering

guns with shutter temperature controllable substrate stage)

18

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조 (b)Lift-off

공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조 19

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting 20

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting 21

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit 22

Fig 311 이온밀링 공정 22

Fig 312 이온밀링 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 313 이온밀링 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data 24

Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting 25

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정 26

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습 27

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습 27

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 28

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram 29

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) 30

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram 31

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp

electromagnet 32

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

v

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 데이터를

Lorentz fitting 한 결과 34

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태 35

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태 35

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습 36

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습 36

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm) Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

37

Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선 39

Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선 40

Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여

자기감수율 값으로 변환한 data 42

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과 43

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화

자화 값( S4 M ) 44

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10

nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( ) 45

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patternedlsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 VNA-FMR 측정 결과 47

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo patterned rsquoGlass

Cu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 이방성 자기장( aH )과 포화자화

값( S4 M ) 48

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo구조의 ISHE 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과 50

Fig 511 patternedlsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo샘플의 역 스핀 홀 전

압 측정 결과 51

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

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2 4 6 8 10 12 14 16-100

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FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

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100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

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0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

vi

표 목차

표 31 이온 밀링 공정 조건 23

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

vii

국문 요약

역 스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 상호작용에 의해 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상이다 본 논문에서는 Py(Ni81Fe19)Pd 이중

박막에서의 역 스핀 홀 효과를 연구하였다 이 박막에 벡터 네트워크

분석기를 이용하여 마이크로웨이브와 외부 자기장을 가해주고 강자성

공명 조건을 형성시키면 스핀 펌핑 효과에 의해 강자성체인 Py 층에서

상자성체인 Pd 층으로 스핀 전류가 주입된다 이렇게 주입된 스핀

전류는 역 스핀 홀 효과에 의해 Pd 층의 양단에서 전위차를

발생시킨다 그러므로 역 스핀 홀 전압을 측정하여 역스핀 홀 효과를

확인할 수 있다 본 연구에서는 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassCu(10 nm) Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 세 종류의

샘플을 제작하여 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 자기적 특성을 확인하였고 최종적으로 ISHE

샘플(patterned lsquoGlassPd(10nm)Py(10nm)rsquo)의 역 스핀 홀 효과를

살펴보았다

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

viii

Abstract

Inverse Spin Hall Effect(ISHE) is conversion of a spin current

into an electric current In this thesis ISHE was investigated in

Py(Ni81Fe19)Pd bilayer By applying a microwave and a magnetic

field to the film a spin current is injected into the paramagnetic Pd

layer from the ferromagnetic Py layer due to the spin pumping

effect operated by the Vector Network Analyzer Ferromagnetic

resonance This spin current injection gives rise to an electric

potential difference between the edges of the Pd which is

attributed to ISHE Therefore the ISHE electromotive force

measurements reveal the details of Inverse Spin Hall Effect In this

study we prepared lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass

Cu(10nm) Py (10 nm)rsquo and lsquoGlassPy(10 nm)rsquo sample and

measured magnetic properties such as saturation magnetization

( S4 M ) anisotropy magnetic field( aH ) Gilbert damping

constant( ) for each sample

Finally the Inverse Spin Hall effect was investigated for a ISHE

sample(patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo)

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

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Molnar S Roukes M L Nat Mater 7 125 (2008) 4 Se-Chung Oh et al Nature Physics 5 898-902 (2009)

5 C-Y You Curr Appl Phys 10 952-956 (2010)

6 M H Jung et al Phys Revb B 81 134491 (2010)

7 C-Y You Journal of Magnetics 14 No 4 (2009)

8 A Bisig et al Appl Phys Lett 95 162504 (2009)

9 S S P Parkin US Patent No 6834005 (2004)

10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

Oliveira and S M Rezende J Appl Phys 97 10C715 (2005) 13

Joo-Von Kim and C Chappert J Magn Magn Mater 286 56-

60 (2005) 14

Y Tserkovnyak A Brataas and G E W Bauer Phys Rev Lett

88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 1 -

1 서 론

반도체 기반 전자소자는 그 동안 급속한 기술적 진보를 통해

오늘날의 정보화 시대를 주도해 오고 있다 하지만 이러한 반도체 기반

전자소자 기술은 메모리칩이 나노 크기 정도로 극미세화 됨에 따라

양자역학적 투과 현상이 나타나고 소형화에 따른 열방출이 심각한

문제로 대두되면서 물리적 현상 및 나노공정에 있어서 근본적인

기술적 한계에 접근하게 되었고 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운

차세대 전자소자 기술의 필요성이 요구됨에 따라 등장한 것이

스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다 기존의 반도체 기반 전자소자

기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인

스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어하는 데 반해

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로서

이 기술을 이용한 스핀 전자소자의 개발을 통해 기존 전자소자의

한계를 극복할 수 있을 것이다 1 2 3 스핀 전자소자는 스핀의 고유

특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속 초저전력 및

초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 전자소자로서의

가능성이 매우 높은 것으로 판단되며 스핀토크 자기 메모리(spin

torque transfer magneto-resistive random access memory STT-

MRAM)4 5 6 고주파 이용 자기 기록(microwave assisted magnetic

recording MAMR) 스핀토크 나노 발진자(spin torque nano-

oscillator STNO) 7 8 전류인가 자벽 이동 메모리(current induced

domain wall motion memory CIDWM race-track memory)91011

등의 다양한 신개념 스핀 전자소자의 연구가 활발히 진행되고 있다

스핀트로닉스 분야에서 고체 내의 전자 스핀의 흐름인 스핀 전류의

발생과 검출은 효율적인 스핀 기반 전자 소자의 개발에 필수적인

기술로서 최근에는 스핀 전류의 효율적인 사용을 위해 이론 및

실험적으로 스핀 홀 효과(SHE)와 역 스핀 홀 효과(ISHE)에 대한

관심이 집중되고 있다 SHE 와 ISHE 는 스핀-궤도 상호작용에 의해

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 2 -

스핀 전류와 전하 전류가 상호 변환되는 현상이다 이 현상들은 전하

전류를 기반으로 한 기존의 전자소자 기술과 스핀을 기반으로 한 스핀

전자 기술의 결합에 중요한 역할을 할 것이다

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명(Vector Network

Analyzer Ferromagnetic Resonance)을 이용하여 Py(Ni81Fe19)Pd

이중박막에서의 역 스핀 홀 효과를 실험을 통해 살펴보았다

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 3 -

2 이론적 배경

21 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance)

강자성체에 외부 자기장이 가해지면 강자성체의 자화인 총

자기모멘트는 유효 자기장의 방향을 축으로 하여 Fig 21 과 같이

세차운동 (precession) 하게 된다 이러한 자화 동역학은 Landua-

Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 기술된다

( ) ( )( ) ( )

S

d t d tt t

dt M dt

eff

M MM H M (21)

식 (21) 에서 우변의 ( )t effM H 항은 자화의 세차운동 항이고

( )( )

d tt

dt

MM 항은 자화가 유효 자기장의 방향으로 정렬되는 감쇠운동

항이다 ( )tM 는 자화 effH 는 유효 자기장 SM 는 각각

자기회전비율 길버트 감쇠인자 포화자화 값을 나타낸다

세차운동하는 자화는 유효 자기장의 세기와 자기모멘트의 크기에

비례하는 세차운동 진동수를 가지게 된다 이러한 상황에서 세차운동

진동수와 일치하는 진동수의 전자기장을 가하면 전자기장 에너지는

자기모멘트의 세차운동으로 흡수가 일어나게 되고 이러한 현상을

강자성 공명이라 한다

일정한 자기장 하에서 전자기장의 진동수를 변화시키거나 일정한

진동수에 대해 자기장을 변화시키면서 에너지의 흡수되는 정도를

측정하여 공명진동수와 공명선폭을 측정할 수 있고 포화 자화

(saturation magnetization) 자기 이방성(magnetic anisotropy)

길버트 감쇠인자(Gilbert damping constant) 등을 구하여 강자성체의

특성을 연구하는데 이용한다

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 4 -

Fig 21 The dynamics of magnetization ( )tM

under an effective magnetic field effH

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 5 -

22 스핀 펌핑 (Spin pumping)

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 하나의 방법으로 자화 동역학에

의해 스핀 전류가 형성되는 현상을 말한다 강자성체(Ferromagnetic

metal)상자성체(Paramagnetic metal) 이중박막 구조에서 강자성체

내에 생기는 강자성 공명현상(Ferromagnetic resonance FMR)에

의한 자화 세차운동(Magnetization precession)이 상자성체 내로 스핀

전류를 주입하는 현상이다1213 이러한 스핀 펌핑 효과는 Terkovnyak

Brataas Bauer 등에 의해 이론적으로 연구되어 왔으며14 스핀 펌핑은

자화 동역학에 의해 유도되는 스핀-토크의 상호작용이라는 것이

밝혀졌다 15 스핀 펌핑에 대한 기본 배경은 여기된 강자성 공명

조건에서 세차운동하는 국소적인 스핀들의 각운동량이 전도전자들로

전이되면서 감쇠되는 것이다 즉 강자성 공명 조건이 형성된 강자성체

내의 세차운동하는 스핀들과 전도전자들이 충돌을 하면서 스핀

각운동량의 전이가 발생하게 되고 전도전자들의 스핀이 유효 자기장

방향으로 분극되게 된다 이러한 상황에서 강자성체와 상자성체가

Ohmic contact 되어 있다면 분극된 스핀을 가지고 있는 전도전자들은

상자성체로 주입되며 스핀 전류를 형성하게 된다 Fig 22 는 스핀

펌핑에 대한 모식도이다 스핀 펌핑은 자화 세차운동 감쇠의

반작용이기 때문에 스핀 펌핑에 의해 발생되는 스핀 전류의 양은 식

(21) 의 LLG 방정식의 감쇠 토크의 크기와 비례하고16

( )

( )S

S

d tt

M dt

pump MI M (22)

강자성체상자성체 접촉면에서 발생되는 스핀 전류는 다음과 같이

표현된다17

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 6 -

4S

dg

dt pump m

I m (23)

g는 spin-mixing 전도도이고 m 은 자화 방향의 단위벡터를

나타낸다

강자성 공명을 이용한 스핀 펌핑에 의해 발생된 스핀 전류는 최근에

Saitoh 가 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)를

이용하여 상온에서 전기적으로 측정하였고 18 이러한 스핀 전류는

인가되는 전하 전류가 없이 발생된다는 점에서 중요한 현상이다

Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic

metalparamagnetic matal bilayer

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 7 -

23 역 스핀 홀 효과 (Inverse Spin Hall Effect)

역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect ISHE)는 스핀 전류가

전하 전류로 전환되는 현상을 말한다1819 20 전하 전류가 스핀 전류로

전환되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect SHE)와 대조되는 현상으로서

역 스핀 홀 효과라 한다 Fig 23 은 스핀 홀 효과와 역 스핀 홀

효과의 모식도이다

Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE)

(b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect(ISHE)

스핀 홀 효과는 인가된 전하 전류를 가로지르는 방향으로 스핀

전류가 발생하는 현상이다 21 22 23 24 25 26 스핀 홀 효과를 이론적으로

설명하기 위해 두 가지의 매커니즘이 제안되어 왔다

첫 번째 매커니즘은 업-스핀과 다운-스핀을 가진 전자의

비대칭적인 산란 때문에 발생하는 스핀-의존성 불순물 산란(spin-

dependent impurity scattering)으로서 side jump 와 skew scattering

현상이다 이를 총칭하여 외적-스핀 홀 효과(Extrinsic SHE)라

한다212227

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

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Molnar S Roukes M L Nat Mater 7 125 (2008) 4 Se-Chung Oh et al Nature Physics 5 898-902 (2009)

5 C-Y You Curr Appl Phys 10 952-956 (2010)

6 M H Jung et al Phys Revb B 81 134491 (2010)

7 C-Y You Journal of Magnetics 14 No 4 (2009)

8 A Bisig et al Appl Phys Lett 95 162504 (2009)

9 S S P Parkin US Patent No 6834005 (2004)

10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

Oliveira and S M Rezende J Appl Phys 97 10C715 (2005) 13

Joo-Von Kim and C Chappert J Magn Magn Mater 286 56-

60 (2005) 14

Y Tserkovnyak A Brataas and G E W Bauer Phys Rev Lett

88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 8 -

두 번째 매커니즘은 위상적인 밴드 구조 때문에 발생하는 band

Barryrsquos phase 로서 내적-스핀 홀 효과(Intrinsic SHE)라 한다2328

두 매커니즘 모두 전자 운동의 상대론적 효과인 스핀-궤도

상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 발생되며 최근에는 광학적

기술을 이용하여 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측하였다2526 하지만

이러한 관측은 제한된 반도체 구조에서나 가능하고 아직까지 스핀 홀

효과에 대한 연구와 적용은 한정되어 있다

역 스핀 홀 효과는 스핀 전류가 스핀-궤도 상호작용에 의해 전하

전류로 전환되는 현상이며 이를 이용해 스핀 전류를 전기적으로

검출할 수 있다 Py(Ni81Fe19)Pt 이중박막에서 강자성 공명에 의한

스핀 펌핑 현상을 이용하여 상온에서 관측되었다18

Fig 24 는 역 스핀 홀 효과를 표현한 그림이다 반대 방향의

스핀(parallel and antiparallel)을 가진 두 종류의 전자들이 스핀

펌핑에 의해 형성된 스핀 전류( SJ )의 방향을 따라서 서로 반대

방향으로 이동하는 상황에서 스핀-궤도 상호작용에 의해 두 종류의

전자들은 같은 방향으로 휘게 된다2121222328 29 이러한 전자들에 의해

상자성체의 가장 자리에 전자의 축적이 발생하게 되고 상자성체의 양

단에는 전위차( ISHEV )가 형성되어 전하 전류( CJ )가 흐르게 된다 이

현상을 역 스핀 홀 효과라 하고 SJ 와 CJ 의 관계는 다음과 같이

표현이 가능하다

C ISHE SD J J σ (24)

ISHED 는 물체의 ISHE 계수이고 σ 는 스핀-분극 벡터(spin-

polarization vector)이다

Fig 25 와 26 은 일본의 Tohoku university 의 E Saitoh 가

conventional FMR(TE011 microwave cavity f =945 GHz)을

이용하여 측정한 역 스핀 홀 효과 데이터이다18 는 외부 자기장

H와 electrode 사이의 각도이다

Fig 25(a) 는 90 일 때 Ni81Fe19(10 nm)Pt(10 nm) 이중

박막과 Ni81Fe19(10 nm) 박막의 FMR 데이터이다 Ni81Fe19 의 자화가

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 9 -

Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and

the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metal

paramagnetic metal bilayer SJ and CJ denote the spatial

directions of a pure spin current generated by spin pumping and an

electric current generated by ISHE respectively σ is the spin-

polarization vector of the spin current SJ

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

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Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

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(2009)

- 56 -

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Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 10 -

Fig 25 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH for

a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the

microwave absorption intensity (b) Field dependence of

( ) dV H dH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-

potential difference between the electrodes on the Pt layer18

Fig 26 (a) Field ( H ) dependence of the FMR signal dI dH at

various field directions I denotes the microwave absorption

intensity The arrow represents the ferromagnetic-resonance field

(b) Field dependence of ( ) dV H dH in the Pt layer at various field

directions V denotes the electric-potential difference between

on the Pt layer The arrow represents the ferromagnetic-

resonance field18

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 11 -

130 mT 에서 강자성 공명이 발생하였고 Ni81Fe19Pt 이중박막과

Ni81Fe19 박막의 FMR signal 을 비교하였을 때 스핀 펌핑 효과에 의해

Ni81Fe19Pt FMR signal 의 반치폭이 더 넓게 나타남을 확인할 수

있다143031 Fig 25(b) 는 ( ) dV H dH 데이터로서 강자성 공명 조건

하에서 역 스핀 홀 전압이 측정됨을 확인할 수 있다

Fig 26(a) 와 (b)는 의 변화에 의한 FMR 데이터와 ( ) dV H dH

데이터이다 Ni81Fe19 는 자기 결정 이방성(magnetocrystalline

anisotropy)이 굉장히 작기 때문에 Ni81Fe19 의 자화는 H 의 방향에

나란하게 정렬되어 가 변하여도 FMR signal 은 균일한 반면

( ) dV H dH signal 은 90 일 때 가장 크게 측정되고 가

감소함에 따라 점점 감소하다가 0 일 때 0 에 가까워진다 이

결과는 식 (24)와 부합한다

2010 년에는 미국 Argonne National Laboratory 의 A Hoffmann

이 coplanar waveguide(CPW)에 PyPt 이중박막을 제작하여 CPW 에

microwave 를 주입하고 외부자기장을 걸어주어 FMR 조건을 형성한

뒤 ISHE 를 측정하였다 32 Fig 27 은 이 논문에서 사용된 샘플의

모습으로 GaAs 기판에 292 mm20 m 사이즈의 Py(15 nm)Pt(15

nm) 이중박막을 형성하고 100 nm 두께의 MgO(fot dc insulation

between bilayer and waveguide)로 이중박막을 덮은 후 30 m wide

and 200 nm thick Au coplanar waveguide 를 제작하여 실험을

진행하였다 Fig 28 은 측정된 역 스핀 홀 전압 데이터이다 외부

자기장과 coplanar waveguide axis 의 각도가 45 에서 약 500 V

로 가장 크게 측정되었다

본 연구에서는 Pt 대신 Pd 을 이용하여 Fig 29 와 같은 구조의

PyPd 이중박막을 제작하였고 이를 coplanar waveguide 위에 따로

접촉시켜 실험을 진행하였다 본 연구에서 사용된 샘플의 구조와 제작

방법에 대한 자세한 설명은 본 논문의 3 장에 서술하였다

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 12 -

Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the

coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the

bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32

Fig 28 Voltage measured at 4GHz as a function of angle of the

external magnetic field with respect to the coplanar waveguide

axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid

lines respectively32

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

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2 4 6 8 10 12 14 16-100

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FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

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2 4 6 8 10 12 14 16-100

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0

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FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

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효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

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이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 13 -

Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조

역 스핀 홀 전압( ISHEV )은 다음과 같이 표현 가능하다20

FMR

2

S acISHE 2

2FMR

sin cos( ) cos 244

(4 )2 cos( ) cos 2 cos 2

4

M M H M

S

M H M M

S

H

MM h

H

M

V (25)

ach 는 마이크로웨이브에 의한 교류 자기장 M 은 박막의 면 벡터와

외부 자기장 사이의 각 H 는 박막의 면 벡터와 자화 사이의 각이다

역 스핀 홀 효과를 통해 스핀의 축적(spin accumulation) 없이

스핀 전류를 전기적으로 측정할 수 있기 때문에 스핀트로닉스 기술과

기존의 전자 소자 기술의 결합에 필수적인 기술이 될 것이다 최근에는

강자성체인 Ni81Fe19 의 사이즈 변화33 상자성체인 Pt 의 두께 변화34

다양한 상자성체(Pt Pd Ag Cu 등)와35 36 37 초전도체를 이용한 역

스핀 홀 효과 실험이 진행되었고 38 39 Pt1-xMx(M=Cu Au) 합금을

이용한 실험과40 세차 운동하는 자화의 궤적에 따른 스핀 전류의 발생

효율에 대한 실험 등이 진행되었다41

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 14 -

3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작

31 샘플 제작 방법

311 포토리소그래피 (Photolithography)

ISHE sample 의 패터닝 작업을 위해 포토리소그래피 공정을

실시하였다 샘플 제작에 사용된 기판은 Corning eagle 2000 Glass

기판을 12 mm12 mm size 로 dicing 하여 사용하였다 Glass 기판은

실험에 사용되기 전에 클로로포름 30 분 아세톤 60 분 이소프로필

알코올 60 분의 초음파 세척을 통해 클리닝 공정을 거쳤다

클로로포름은 기판에 부착되어 있는 wax 류 제거 아세톤은 유기물질

제거 이소프로필 알코올은 아세톤류를 제거하기 위한 목적으로

사용되었다

Fig 31 spin-coater

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

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Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

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K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

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Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

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K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

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- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 15 -

세척 완료 된 Glass 기판에 AZ-1512 positive Photoresist(PR)

용액을 스포이드를 사용하여 뿌려준 후 Fig 31 의 spin-coater 를

이용해 Glass 기판을 15 초 동안 4000 rpm 으로 가속 30 초 동안

4000 rpm 유지 30 초 동안 0 rpm 으로 감속하여 glass 기판 위에 PR

용액이 1~15 m 의 두께로 균일하게 도포되게 하였다 PR 용액에

포함된 solvent 성분을 제거하기 위해 Soft-baking 을 핫플레이트

위에서 80 의 온도로 45 초 동안 실시한 후에 Fig 32 의 마스크

얼라이너를 이용하여 PR 용액이 도포된 Glass 기판을 70 W 의 UV

light 에서 4 분 30 초 동안 노광하였다 마스크 얼라이너의 종류는

Fig 33 에 간략히 간략히 소개하였다 본 실험에 사용된 마스크

얼라이너는 Contact aligner 로서 마스크와 PR 용액이 도포된 기판이

서로 접촉되기 때문에 빛의 회절현상이 줄어들어 해상도가 좋은 반면

PR 용액이 마스크에 묻어 나기 때문에 마스크의 오염도가 심각하다

따라서 본 실험에서는 Fig 34 의 필름 마스크를 사용하여 마스크의

교체가 용이하게 하였다

Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 16 -

Fig 33 마스크 얼라이너의 종류

Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 17 -

이 후 패터닝 현상을 위해 노광 완료된 기판을 AZ MIF 300

development 용액에 넣은 후 45 초 동안 가만히 두었다가 15 초 동안

천천히 흔들어 주었다 현상 공정을 마치고 완성된 패턴을 확인한

후에 Hard-baking 을 80 에서 50 초 동안 진행하여 완성된 PR

패턴을 경화시키고 Glass 기판과의 접착력을 향상시켰다

본 실험에서는 총 3 번의 포토리소그래피 공정을 진행하였다 첫

번째는 패터닝 된 PyPd 이중박막을 얻기 위해 두 번째는 이온 밀링

공정 전 PR 마스크를 형성하기 위해 세 번째는 완성된 ISHE 샘플에

electrode 를 형성하기 위해 진행하였다

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 18 -

312 DC 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering)

Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber

(7 Magnetron Sputtering guns with shutter

temperature controllable substrate stage)

본 실험에서는 Fig 35 와 같은 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버를

사용하여 샘플을 제작하였다 샘플의 로딩 및 이온 밀링 산화물

증착을 진행할 수 있는 Load-lock chamber 와 샘플의 증착과

annealing 공정을 진행할 수 있는 Main chamber 로 구성되어 있다

챔버의 진공도는 컴벡트론 게이지와 이온 게이지를 사용하여 체크할

수 있으며 로터리 펌프 터보 펌프 크라이오 펌프를 사용하여

Load-lock chamber 는 10 10-7 Torr 이하 Main chamber 는

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 19 -

10 10-9 Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있다 Main chamber

내에는 7 개의 스퍼터링 건이 장착되어 있고 각 건에는 FeMn Ta

Py(Ni81Fe19) Pd Co CoFe Cu 의 target 이 장착되어 있으며

target 의 교체가 가능하다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온도

센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착 시 기판을 회전시켜

박막의 uniformity 에 기여하도록 제작되어 있다 Load-lock

chamber 에는 이온 밀링 건과 산화물 증착을 위한 스퍼터링 건이

장착되어 있다

모든 샘플 제작은 8~9 10-9 Torr 의 base pressure 에서

진행하였고 스퍼터링 가스는 고순도의 Ar 가스를 사용하였다 Mass

Flow Controller(MFC)를 이용하여 Ar gas flow 를 15 sccm 으로

흘려주어 증착 시 Ar 분압을 15 10-3 Torr 로 고정하여 증착을

진행하였다 증착 물질은 Permalloy(Py Ni81Fe19) Palladium(Pd)

Copper(Cu)를 이용하였다 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴이

완료된 Glass 기판을 RF cleaning 후에 PyPd 이중박막과 PyCu

이중박막을 증착하고 Lift-off 공정을 거쳐 16 mm04 mm 패턴의

이중박막을 형성하였다 Fig 36 에는 간략하게 샘플의 구조를

표현하였다 Cu 는 상대적으로 스핀 펌핑 현상이 거의 나타나지 않기

때문에354243 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막에서는 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과가 발생하지 않을 것으로 판단하여 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막에서

발생하는 스핀 펌핑 현상 역 스핀 홀 효과와 비교하기 위해

제작하였다

Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 lsquoGlassPdPyrsquo 이중박막의 구조

(b)Lift-off 공정 후 lsquoGlassCuPyrsquo 이중박막의 구조

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 20 -

각 증착 물질의 박막 두께는 calibration 용 샘플을 따로 제작하여

물질의 증착률을 구해 조절하였다 증착되는 물질의 박막 두께는 증착

시간에 따라 선형적인 결과를 보이기 때문에 동일한 조건에서

증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로

원하는 두께의 샘플을 제작할 수 있었다 p-type Si wafer 에 각 증착

물질 별로 시간에 따라 샘플을 제작하였고 X-ray Reflectivity

(XRR)측정을 하여 그 결과를 바탕으로 linear fitting 하여

calibration 하였다 증착 속도가 05~10 Åsec 가 되도록 전력을

조절하여 Py 는 150 W 의 전력에서 7 분 9 분 11 분 Pd 은 50 W 의

전력에서 6 분 8 분 10 분 Cu 는 50 W 의 전력에서 4 분 6 분

8 분으로 각 물질당 3 개 씩 제작하였다 Fig 37 Fig 38 Fig 39 는

각 물질의 증착 두께 fitting 결과로서 Py 는 0523 Åsec Pd 는

0597 Åsec Cu 는 085 Åsec 의 증착률을 구할 수 있었고 Py

3 분 11 초 Pd 2 분 48 초 Cu 1 분 58 초 를 증착하여 10 nm 의

박막을 제작할 수 있었다

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 09999

Value Standard Error

Py Intercept 012138 144719

Py Slope 052298 000304

Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

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Molnar S Roukes M L Nat Mater 7 125 (2008) 4 Se-Chung Oh et al Nature Physics 5 898-902 (2009)

5 C-Y You Curr Appl Phys 10 952-956 (2010)

6 M H Jung et al Phys Revb B 81 134491 (2010)

7 C-Y You Journal of Magnetics 14 No 4 (2009)

8 A Bisig et al Appl Phys Lett 95 162504 (2009)

9 S S P Parkin US Patent No 6834005 (2004)

10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

Oliveira and S M Rezende J Appl Phys 97 10C715 (2005) 13

Joo-Von Kim and C Chappert J Magn Magn Mater 286 56-

60 (2005) 14

Y Tserkovnyak A Brataas and G E W Bauer Phys Rev Lett

88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 21 -

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

400Thickness(Å

)

Time(sec)

Pd Linear fit of Pd

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099958

Value Standard Error

Pd Intercept 096964 298468

Pd Slope 059737 000703

Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thickness(Å

)

Time(sec)

Cu Linear fit of Cu

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099955

Value Standard Error

Cu Intercept -021857 336749

Cu Slope 085081 001042

Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

1 Maekawa S Concepts in Spin Electronics (Oxford Univ Press

Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

(2004) 3 Wolf S A Awschalom D D Buhrman R A Daughton J M von

Molnar S Roukes M L Nat Mater 7 125 (2008) 4 Se-Chung Oh et al Nature Physics 5 898-902 (2009)

5 C-Y You Curr Appl Phys 10 952-956 (2010)

6 M H Jung et al Phys Revb B 81 134491 (2010)

7 C-Y You Journal of Magnetics 14 No 4 (2009)

8 A Bisig et al Appl Phys Lett 95 162504 (2009)

9 S S P Parkin US Patent No 6834005 (2004)

10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

Oliveira and S M Rezende J Appl Phys 97 10C715 (2005) 13

Joo-Von Kim and C Chappert J Magn Magn Mater 286 56-

60 (2005) 14

Y Tserkovnyak A Brataas and G E W Bauer Phys Rev Lett

88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 22 -

313 이온 밀링 (Ion milling)

Fig 36 의 패터닝 된 lsquo강자성체상자성체rsquo의 이중박막 제작 후

최종적인 ISHE 샘플의 패턴을 형성하기 위해서 다시 한번

포토리소그래피를 진행하여 PR 마스크를 형성한 뒤 Fig 310 의 이온

밀링 장비로 Load-lock chamber 에서 Fig 311 과 같이 이온 밀링

공정을 진행하였다

Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit

Fig 311 이온 밀링 공정

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

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10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

Oliveira and S M Rezende J Appl Phys 97 10C715 (2005) 13

Joo-Von Kim and C Chappert J Magn Magn Mater 286 56-

60 (2005) 14

Y Tserkovnyak A Brataas and G E W Bauer Phys Rev Lett

88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 23 -

2~3 10-7 Torr 의 base pressure 에서 고순도의 Ar 가스를

MFC 를 이용하여 30 sccm 으로 흘려주어 Ar 분압을 4~510-4 Torr

로 고정하고 진행하였다 보통 건식 식각 시 식각 물질에 따라 식각

가스의 종류가 달라지고 Ar 가스는 Inert gas 로서 식각 가스의 이온화

촉진을 높이고 전자밀도를 증가시켜 식각률을 높여주고 플라즈마의

안정화에 기여하고자 흘려주지만 본 실험에서는 Py 의 식각 두께가

10 nm 정도로 매우 얇고 식각 가스로 인한 챔버의 오염을 막고자

Ar 가스를 식각 가스로 사용하였다 Beam current 를 40 mA Beam

voltage 를 200 V Cathode filament current 는 52~55 A 로

고정하여 조건을 설정하였다 Beam current Beam voltage 와

Accelerator current Accelerator voltage 는 21 의 비율로 초기설정

되어있다 표 31 에는 이온 밀링 시 설정된 조건을 나타내었다

Beam Voltage 200 [V] Cathode

filament current

542 [A]

Current 40 [mA]

Discharge Voltage 512 [V] Neutralizer

filament current

008 [A]

Current 0280 [A]

Accelerator Voltage 108 [V] Emission

current

002 [mA]

current 09 [mA]

표 31 이온 밀링 공정 조건

우선 테스트용 샘플을 제작해 이온 밀링을 실시하여 PR mask 로

가려진 부분과 노출되어 식각이 진행된 부분의 높이 차이를 Atomic

Force Microscope(AFM)로 측정하여 시간에 따른 Py 의 식각 두께의

경향성을 확인하였다 Fig 312 는 이온 밀링을 5 분 진행한 후의

AFM data 이고 Fig 313 은 10 분 진행했을 때의 AFM data 이다

Z5min=50 nm Z10min=1011 nm 로서 식각되는 두께가 시간에

따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 24 -

Fig 312 이온 밀링을 5 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

Fig 313 이온 밀링을 10 분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data

- 25 -

경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

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이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

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경향성을 확인 후 Py 의 시간에 따른 식각률을 구하기 위해

calibration 용 샘플을 제작하였다 p-type Si wafer 에 총 4 개의

50 nm 의 Py 박막을 증착하고 각 5 분 10 분 15 분 20 분의 이온

밀링을 진행한 뒤 XRR 측정을 통해 박막 두께를 측정하고 시간에

따른 식각 두께를 calibration 하여 식각률을 구하였다 Fig 314 는

Py 박막의 식각 두께를 linear fitting 한 결과로서 0236 Åsec 의

식각률을 구할 수 있었고 이온 밀링을 7 분 4 초 진행하여 Py 박막

10 nm 를 식각하였다

0 200 400 600 800 1000 1200200

250

300

350

400

450

500

550

Thickness(Å

)

Time(sec)

Py Linear fit of Py

Equation y = a + bx

Adj R-Square 099504

Value Standard Error

Py Intercept 5198382 612164

Py Slope -023616 000833

Fig 314 Py 박막의 식각 두께 fitting

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32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

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Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

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42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

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185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 26 -

32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조

Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정

Fig 315 는 ISHE 샘플 제작 과정을 간략하게 표현하였다 이온

밀링 후에 electrode 를 100 nm 증착하여 최종적인 ISHE 샘플을

얻을 수 있었다 Fig 316 은 완성된 ISHE 샘플을 확대한

모습으로서 제작된 ISHE 샘플을 Fig 317 과 같이 coplanar

waveguide(CPW) 위에 올려놓고 electrode 에 수직한 외부자기장을

걸어주고 Vector Network Analyzer 를 RF source 로 사용하여

강자성 공명 조건을 형성한 뒤 Pd 양단의 전위차를 측정함으로써 역

스핀 홀 효과를 확인할 수 있다

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 27 -

Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습

Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

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2 4 6 8 10 12 14 16-100

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FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

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2 4 6 8 10 12 14 16-100

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0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

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이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 28 -

4 측정 및 분석

41 시료 진동 자력계(Vibrating Sample Magnetometer)

Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sample Magnetometer 은 자력 측정계로서 44 자성

박막의 자기적 특성(자화값)을 측정할 수 있다 작동 원리는 외부

자기장이 일정하게 걸려있는 곳에서 샘플을 수평하게 진동시키고

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 29 -

Pick-up 코일에 의해 얻은 샘플의 AC 신호를 표준 자석의

자화값으로부터 나오는 신호와 비교하여 자기모멘트에 비례하는

값으로 전환이 된다 이 장비는 민감도가 높고 작동시키기 쉬우며

상온보다 작거나 큰 상황에서도 편리하게 측정이 가능하다는 장점을

가지고 있다 Fig 41 은 본 실험에서 사용한 VSM 장비이고 Fig 42

는 VSM 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 30 -

42 자기-광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr Effect)

Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)

자기장을 가해준 비자기 매질이나 자기 매질에 빛이 입사하게 되면

자화에 의해 생긴 유전율 텐서의 변화에 따라 빛의 편광이나 세기가

바뀌게 되는데 빛이 매질을 투과하면서 나타나는 효과를 패러데이

(Faraday) 효과라 하고 매질 표면에서 반사하며 나타나는 효과를

커(Kerr) 효과라 한다 빛의 편광이나 세기의 변화량이 매질의 자화에

비례하기 때문에 이러한 효과들을 이용하여 매질의 자기적 성질을

측정할 수 있다 매질의 자기화 벡터의 방향에 따라 세로방향

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 31 -

(longtiudinal) 극성방향(polar) 가로방향(transverse)의 3 가지

경우로 나누어 질 수 있는데 앞의 두 경우는 선평관된 빛이 매질을

투과 또는 반사하면서 타원편광으로 바뀌게 되고 가로방향의 경우는

선평광된 빛이 투과 또는 반사하면서 편광은 바뀌지 않고 빛의 세기만

바뀌게 된다 Fig 43 은 실험에서 사용한 MOKE 장비이고 Fig 44

는 MOKE 의 작동원리에 대한 개괄도이다

Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 32 -

43 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)

Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C)

Probestation amp electromagnet

본 실험에서는 벡터 네트워크 분석기 강자성 공명 (Vector

Network Analyzer-Ferromagnetic resonance VNA-FMR)을

이용하였다 네트워크 분석기는 Fig 45 의 HP 8510C 모델을

사용하였고 이 장비는 24 mm 동축에서는 45 MHz~50 GHz 까지

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 33 -

185 mm 동축에서는 45 MHz~65 GHz 까지 그리고 도파관

대역에서는 33 GHz~110 GHz 까지 광대역 측정이 가능하다 애질런트

8510C 네트워크 분석기는 2 포트 네트워크의 진폭 위상 및 그룹

지연을 측정하여 선형 동작의 특성을 분석할 수 있고 주파수 영역

응답의 역 퓨리에 변환을 컴퓨팅하여 임펄스나 단계 파형에 대한

네트워크의 타임 도메인과 응답 표시가 가능하다

VNA-FMR 의 측정 원리는 다음과 같다 외부에서 자기장 extH 를

걸어주었을 때 자화는 특정한 진동수로 세차운동을 하게 된다 이

상황에서 VNA 에서 microwave 를 흘려주면 rfH 가 생기게 되고

여기서 발생된 진동수와 자화의 세차운동 진동수가 일치할 때

공명현상이 발생하게 된다 이 경우에 에너지의 흡수가 일어나게 되어

Lorentzian 모양의 결과값을 측정할 수 있다 측정 결과는 입력 전압과

출력 전압의 비를 dB scale 로 나타낸 S-parameter 로 측정이 되기

때문에 이를 자기감수율 값으로 변환하여 필요한 물리량을 분석할 수

있다 자기감수율의 허수 부분은 다음과 같이 표현이 가능하다45

2 2

2 2 2 2 2 2

( ( ) )χ

( ) (2 )

M H eff

yy

res H eff

(41)

자기감수율의 허수 부분인 χ yy 는 Lorentzian 함수의 모양을

나타내기 때문에 이를 Lorentz fitting 하여 공명주파수( res )와 자기

감수율의 반치폭( )을 구할 수 있다 Fig 46 은 외부 자기장이

041 kOe 일 때 PyPd 이중 박막의 FMR 측정 데이터를 Lorentz

function 을 이용하여 fitting 한 결과이다

Fig 47 은 Probestation 에서 샘플을 CPW 에 올려두고 probe 를

접촉한 모습이고 Fig 48 은 CPW 와 샘플의 접촉 상태를 모니터를

통해 확대한 사진이다 샘플 위에 자성이 없는 막대로 시료를

눌러줌으로서 CPW 와 샘플 사이의 접촉 상태를 향상시켜 신호 감도를

더 좋아지게 하였다

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 34 -

3 4 5000

005

010

015

χ

2

Max

041 kOe

res

= 3996 + 0007 GHz

= 0231 + 0002 GHz

Exp Data

Fit Curve

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

res

Fig 46 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR

데이터를 Lorentz fitting 한 결과

역 스핀 홀 효과 측정 시에는 Fig 49 과 같이 PCB 기판에 ISHE

샘플을 부착시키고 Gold wire 로 샘플의 전극과 PCB 기판을 Indium

contact 하여 Fig 410 의 샘플 홀더에 고정한 후 CPW 위에

접촉하였다 그 후 VNA-FMR 조건 하에서 KEITHLEY source

meter 를 사용하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 35 -

Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태

Fig 48 CPW 에 probe 를 접촉한 상태

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 36 -

Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습

Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW 에 접촉한 모습

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 37 -

5 결과 및 논의

본 실험에서는 총 5 종류의 샘플을 사용해 실험을 진행하였다 각

종류의 샘플은 Fig 51 에 나타내었다

Fig 51 (a) lsquoGlassPy(10 nm)rsquo (b) lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

(c) lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo (d) patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo (e) patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

본 실험의 최종 목적은 (d) patterned lsquoGlassPd(10nm)

Py(10nm)rsquo 샘플에서의 역 스핀 홀 전압을 측정함으로써 역 스핀 홀

효과를 관측하는 것이다 Pd 에 반해 Cu 는 스핀 펌핑이 발생되지 않기

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 38 -

때문에 35 42 43 (d) 샘플과의 특성 비교를 위해 (e) 샘플을 제작하였다

또한 ISHE 샘플 제작을 위해서는 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에

(b) (c) 샘플을 제작하여 (d) (e) 샘플과 비교함으로써 패터닝 전

후의 샘플의 특성 변화 유무를 판단하였다 (a) 샘플은 (b) (c) 샘플과

비교하여 Py 단층박막과 PdPy CuPy 이중박막의 특성을 분석하고자

제작하였다

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 39 -

51 자기이력곡선 측정 결과

제작된 샘플들의 기본적인 자기적 특성을 알아보기 위해 VSM 과

MOKE 를 통해 자기이력곡선을 측정하였다 Fig 52 는 Fig 51 의

(a) (b) (c) 샘플을 VSM 측정하여 얻은 자기이력곡선이다

-9 -6 -3 0 3 6 9

-10

-05

00

05

10

Ma

gn

eti

c m

om

en

t (a

u)

Field (Oe)

GlassPy(10nm)

GlassCu(10nm)Py(10nm)

GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 52 VSM 을 이용하여 측정한 자기이력곡선

강자성체인 Py 의 두께가 10 nm 로 동일하기 때문에 자기모멘트

값은 모두 비슷하였고 보자력 값은 약 04 ~ 15 Oe 값으로 거의

차이가 없었다

Fig 52 는 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플를 MOKE 를 이용하여

자기이력곡선을 측정한 결과이다 패터닝 된 샘플의 Py 는 05 mm

04 mm 의 사이즈로 크기가 작기 때문에 VSM 측정에 어려움이 있어

MOKE 측정을 진행하였다

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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(2009)

- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 40 -

-4 -2 0 2 4

-10

-05

00

05

10

MO

KE

sig

na

l (a

u)

Field (Oe)

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

Fig 53 MOKE 를 이용하여 측정한 자기이력곡선

보자력 값은 Fig 52 와 비교하였을 때 거의 동일함을 확인할 수

있고 이를 통해 패터닝을 통한 샘플의 사이즈 변화는 보자력에 영향을

미치지 않음을 확인하였다 자기모멘트 값은 샘플 사이즈의 변화로

인해 변했을 것으로 예측되나 MOKE 측정의 특성상 자기모멘트의

절대적인 수치를 파악하는데 어렵기 때문에 VNA-FMR 측정을 통해

포화자화 값을 확인하였다

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 41 -

52 강자성 공명 측정 결과

VNA-FMR 측정 결과를 분석하였다 측정된 결과들은 S-

parameter 로 얻게 되는데 이를 MATLAB 코드를 이용하여 제작한

프로그램을 사용해 자기감수율 값으로 변환된 값을 얻었고46 이 값을

통해 포화자화 값( S4 M )과 이방성 자기장( aH ) 길버트 감쇠인자( )

등을 구하였다 Fig 54 는 S-parameter 로 측정된 raw data 를

자기감수율 값으로 변환한 data 이다

Fig 55 와 56 57 은 Fig 51 (a) (b) (c) 샘플의 VNA-FMR

측정 결과와 이를 fitting 하여 구한 포화자화와 이방성 자기장 길버트

감쇠인자 데이터이다 Fig 55 의 결과에서 공명주파수가 증가하면

자기감수율의 최대값은 점차 감소하는 것을 통해 자기감수율의 허수

부분의 최대값이 공명주파수와 반비례하는 것을 알 수 있다 Fig 56

은 강자성 공명이 발생할 때의 외부 자기장과 그에 해당하는

공명주파수를 식 51 의 Kittel 방정식을 fitting 하여 얻은 포화자화

값과 이방성 자기장이다

ext uni ef f ext uniγ ( )( )res H H M H H (51)

γ 는 자기회전비율로서 2 e

g e

m으로 정의되고 g 는 g-factor e 는

전자의 전하량 em 는 전하의 질량을 의미한다 본 실험에서는 g 를

212(NiFe)로47 γ 를 1866 GHzkOe 로 대입하였다

각 샘플의 포화자화 값은 732 kOe 515 kOe 460 kOe 로 구할

수 있었다 약 10 kOe 로 알려진 Py 의 포화자화 값에 비해 작은 값을

얻었는데47 이는 PyPd 이중박막에서의 스핀 펌핑과 역 스핀 홀

효과만을 관측하기 위해 capping layer 를 사용하지 않아 Py 의 표면이

산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Y Tserkovnyak A Brataas and G E W Bauer Phys Rev Lett

88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 42 -

Fig 54 (a) S-parameter 로 측정된 raw data (b) 프로그램을

이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

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0

50

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0

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0

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100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

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-50

0

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-50

0

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100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 43 -

000

005

010

015

020

025

000

005

010

015

020

025

4 6 8 10 12 14 16000

005

010

015

020

025

GlassPd(10)Py(10)

GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOeGlassPy(10)

Frequency (GHz)

Fig 55 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 VNA-FMR 측정 결과

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 44 -

4

6

8

10

12

14

16

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0059 + 0007 kOe

4Ms= 732 + 006 kOe

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0098 + 0013 kOe

4Ms= 515 + 008 kOe

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Ha= -0099 + 0012 kOe

4Ms= 460 + 007 kOe

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 56 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 이방성 자기장( aH )과

포화자화 값( S4 M )

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

1 Maekawa S Concepts in Spin Electronics (Oxford Univ Press

Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

(2004) 3 Wolf S A Awschalom D D Buhrman R A Daughton J M von

Molnar S Roukes M L Nat Mater 7 125 (2008) 4 Se-Chung Oh et al Nature Physics 5 898-902 (2009)

5 C-Y You Curr Appl Phys 10 952-956 (2010)

6 M H Jung et al Phys Revb B 81 134491 (2010)

7 C-Y You Journal of Magnetics 14 No 4 (2009)

8 A Bisig et al Appl Phys Lett 95 162504 (2009)

9 S S P Parkin US Patent No 6834005 (2004)

10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

Oliveira and S M Rezende J Appl Phys 97 10C715 (2005) 13

Joo-Von Kim and C Chappert J Magn Magn Mater 286 56-

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88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 45 -

030

035

040

045

050

055

020

025

030

035

040

045

050

00 05 10 15 20 25 30

025

030

035

040

045

= 00168 + 00003

GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

= 00131 + 00007

GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Lin

ew

idth

f

(GH

z)

= 00139 + 00004

GlassPy(10)

Fit Curve

Field (kOe)

Fig 57 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)

Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 길버트 감쇠인자( )

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

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2 4 6 8 10 12 14 16-100

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0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

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0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 46 -

Fig 57 은 외부 자기장에 대한 자기감수율의 반치폭과의 관계를

통해 길버트 감쇠인자 를 구한 데이터이다 자기감수율의 반치폭과

외부자기장은 식 52 와 같이 선형 관계이다

γ(2( ) )ext uni effH H M (52)

Fig 55 의 VNA-FMR 측정 데이터를 각각 Lorentz fitting 하여

반치폭을 구한 후 식 52 로 fitting 하여 길버트 감쇠인자 를

구하였다 각 샘플의 는 00168 00131 00139 로서

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassPy(10 nm)rsquo 샘플의 값은

00131 과 00139 로 서로 비슷한데 비해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo 샘플의 값은 00168 로서 증가하였다 길버트 감쇠인자가

증가하였다는 것은 자화의 감쇠운동을 다른 항이 생겼다는 것으로

분석할 수 있으며 이것은 스핀 펌핑 효과에 의해 발생된 것이다17

Fig 58 과 59 는 패터닝 공정을 거친 Fig 51 의 (d)와 (e)

샘플의 VNA-FMR 측정 결과와 이를 fitting 하여 포화자화와 이방성

자기장을 구한 결과이다 Fig 58 의 결과를 Fig 55 와 비교하여 알

수 있듯이 패터닝 한 샘플들은 사이즈가 매우 작기 때문에 패터닝

공정을 거치지 않은 샘플들에 비해 자기감수율의 값 또한 작게

측정되었고 상대적으로 노이즈도 굉장히 크게 나타남을 알 수 있다

자기감수율의 크기가 작기 때문에 노이즈에 묻혀 정확한 반치폭을

구할 수 없어서 길버트 감쇠인자를 얻을 수는 없었다 반면

공명주파수는 확인이 가능했기 때문에 fitting 을 통해 포화자화 값과

이방성 자기장은 구할 수 있었다 같은 금속의 이중박막인 Fig 51 의

(b)와 (d) (c)와 (e)의 포화자화 값과 이방성 자기장을 비교하였을 때

(b)와 (d)의 포화자화 값은 732 kOe 와 720 kOe 이방성 자기장은

-0059 kOe 와 -0049 kOe 로 대체로 비슷하였고 (c)와 (e)의

포화자화 값은 515 kOe 와 501 kOe 이방성 자기장은 -0098

kOe 와 -0093 kOe 로 거의 동일하였다 이 결과를 통해 패터닝

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 47 -

과정을 거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인할

수 있다

000

002

004

006

008

010

4 6 8 10 12 14 16000

002

004

006

008

010

patterned GlassPd(10)Py(10)

041 kOe

054 kOe

067 kOe

081 kOe

094 kOe

107 kOe

120 kOe

133 kOe

145 kOe

158 kOe

171 kOe

184 kOe

197 kOe

210 kOe

223 kOe

236 kOe

249 kOe

261 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Su

scep

tib

ilit

y ( Im

ag

ina

ry

Frequency (GHz)

Fig 58 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

VNA-FMR 측정 결과

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 48 -

4

6

8

10

12

14

00 05 10 15 20 25 30

4

6

8

10

12

14

Ha= -0045 + 0008 kOe

4Ms= 720 + 007 kOe

patterned GlassPd(10)Py(10)

Fit Curve

Ha= -0093 + 0012 kOe

4Ms= 501 + 008 kOe

patterned GlassCu(10)Py(10)

Fit Curve

Reso

na

nce F

req

uen

cy

(G

Hz)

Field (kOe)

Fig 59 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo

patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

이방성자기장( aH )과 포화자화 값( S4 M )

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 49 -

53 역 스핀 홀 전압 측정 결과

최종적으로 Fig 51 의 (d)와 (e) 샘플의 Pd Cu 의 양단에

Cu(100 nm)의 electrode 를 형성한 후 역 스핀 홀 전압을 측정하였다

Fig 510 은 041 081 120 158 kOe 외부 자기장 하에서의

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플의 역

스핀 홀 전압 측정 결과이고 Fig 511 은 041 081 120 158 kOe

외부 자기장 하에서의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과이다 Patterned lsquoGlassPd(10

nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플에서 역 스핀 홀 전압이 발생

되는 반면 동일한 구조의 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

샘플에서는 발생되지 않을 것으로 예측하였고 두 결과를 비교하여 역

스핀 홀 효과를 관측하기 위해 두 샘플의 실험을 진행하였다

각 그래프 안에는 Fig 58 의 VNA-FMR 측정 결과를 바탕으로

외부 자기장이 가해질 때 강자성 공명이 발생하는 공명주파수를

표시하였다 PyPd 이중박막에 강자성 공명 조건이 형성되었을 때

스핀 펌핑이 일어나 형성된 스핀 전류가 역 스핀 홀 효과를 통해

샘플의 양단에서 전위차가 발생된다 즉 강자성 공명이 발생하는

공명주파수 대역에서 전위차가 급격히 증가하였다가 감소하는 양상이

발생한다 하지만 본 실험의 측정 결과에서는 역 스핀 홀 전압을

확인할 수 없었다 표시되어 있는 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀

전압이 측정되어야 하지만 측정 결과의 노이즈가 굉장히 심해 정확한

판단이 어렵다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈 제거가 필요할

것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상 노출된 Py

박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀 효과를 관측할

수 있을 것으로 판단된다

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 50 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (494 GHz)

041 kOe

FMR (718 GHz)

081 kOe

FMR (907 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

ISHE sample_patterned GlassPd(10nm)Py(10nm)

FMR (1078 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

Fig 510 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의

ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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Oxford) (2006) 2 Zutic I Fabian J and Sarma S D Rev Mod Phys 76 323-410

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(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 51 -

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

-100

-50

0

50

100

2 4 6 8 10 12 14 16-100

-50

0

50

100

FMR (396 GHz)

041 kOe

FMR (589 GHz)

081 kOe

FMR (753 GHz)

VIS

HE (

V)

120 kOe

FMR (910 GHz)

Frequency (GHz)

158 kOe

patterned GlassCu(10nm)Py(10nm)

Fig 511 patterned lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의

역 스핀 홀 전압 측정 결과

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 56 -

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 52 -

6 결 론

본 연구에서는 VNA-FMR 을 이용해 PyPd 이중박막에서 스핀-

궤도 상호작용에 의해 발생하는 역 스핀 홀 효과(ISHE)를 살펴보았다

우선 패터닝 공정을 거쳐 patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10

nm)rsquo의 ISHE 샘플을 제작하였고 동일하게 패터닝 한 patterned

lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo의 샘플을 함께 제작하여 비교

분석하였다 또한 패터닝 공정 중 샘플의 자기적 특성이 변화되지

않음을 확인하기 위해 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10

nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlass Py(10 nm)rsquo의 샘플을 제작하여

자기이력곡선 포화자화( S4 M ) 이방성 자기장( aH ) 길버트

감쇠인자( ) 등의 패터닝 전후의 변화를 살펴보았다

lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo lsquoGlassCu(10 nm)Py(10 nm)rsquo

lsquoGlassPy(10 nm)rsquo의 각 포화자화 값은 lsquo732 006rsquo lsquo515 008rsquo

lsquo460 007rsquo kOe 로 기존에 알려진 Py 의 포화자화 값(약 10 kOe)에

비해 작게 측정되었는데 이는 ISHE 측정을 위해 capping layer 를

사용하지 않아 Py 의 표면이 산화되어 특성이 변한 것으로 사료된다

값은 lsquo00168 00003rsquo lsquo00131 00007rsquo lsquo00139 00004rsquo로

측정되었으며 lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 샘플의 값이 다른 두

샘플에 비해 크게 증가한 것을 확인함으로써 Py 와 Pd 의 접촉면에서

스핀 펌핑 효과가 발생된 것을 확인할 수 있었다

패터닝 된 샘플과 패터닝 공정을 거치지 않은 단순 박막의 S4 M 와

aH 값을 비교하였을 때 거의 동일되게 측정되어 패터닝 공정을

거치면서 ISHE 샘플의 자기적 특성이 변하지 않음을 확인하였다

patterned lsquoGlassPd(10 nm)Py(10 nm)rsquo 구조의 ISHE 샘플을

제작하여 역 스핀 홀 전압을 측정하였다 041 081 120 158

kOe 의 외부 자기장을 가해준 후 측정을 진행하였고 494 718 907

1078 GHz 의 각 공명주파수 대역에서 역 스핀 홀 전압이 측정될

것으로 예상하였으나 측정 결과의 노이즈가 심하기 때문에 역 스핀 홀

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

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- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 53 -

효과를 관측할 수는 없었다 Lock-in technique 등을 이용한 노이즈

제거가 필요할 것이고 Pd 과 Py 의 접촉성 CPW 와 Py 의 접촉성 향상

노출된 Py 박막의 산화 방지 등이 개선되어야 정확한 역 스핀 홀

효과를 관측할 수 있을 것으로 판단된다

- 54 -

참고문헌

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J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

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S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

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H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

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S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

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참고문헌

1 Maekawa S Concepts in Spin Electronics (Oxford Univ Press

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9 S S P Parkin US Patent No 6834005 (2004)

10 S S P Parkin et al Science 320 190 (2008)

11 Masamitsu Hayashi et al Science 320 209 (2008)

12 A Azevedo L H Vilela Leao and R L Rodriguez-Suarez A B

Oliveira and S M Rezende J Appl Phys 97 10C715 (2005) 13

Joo-Von Kim and C Chappert J Magn Magn Mater 286 56-

60 (2005) 14

Y Tserkovnyak A Brataas and G E W Bauer Phys Rev Lett

88 117601 (2002) 15

Y Tserkovnyak A Brataas G E W Bauer and B I Halperin

Rev Mod Phys 77 1375 (2005) 16

K Ando T Yoshino N Okamoto Y Kajiwara K Sasage

K Uchida and E Saitoh J Magn Magn Mater 322 1422-1424

(2010) 17

Arne Brataas Yaroslav Tserkovnyak and Gerrit E W Bauer J

Magn Magn Mater 272-276 1981-1982 (2004) 18

E Saitoh M Ueda H Miyajima and G Tatara Appl Phys Lett

88 182509 (2006) 19

H Y Inoue K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 102 083915 (2007) 20

K Ando Y KAjiwara S Takahashi S Maekawa K Takemoto

M Takatsu and E Saitoh Phys Rev B 78 014413 (2008) 21

M I Dyakonov and V I Perel Phys Lett A35 459 (1971) 22

J E Hirsch Phys Rev Lett 83 1834 (1999)

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 55 -

23

S Murakami N Nagaosa and S C Zhang Science 301 1348

(2003) 24

E I Rashba Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 25

Y K Kato R C Myers A C Gossard and D D Awschalom

Science 306 1910 (2004) 26

J Wunderlich B Kaestner J Sinova and T Jungwirth Phys

Rev Lett 94 047204 (2005) 27

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 28

J Sinova D Culcer Q Niu N A Sinitsyn T Jungwirth and A

H MacDonald Phys Rev Lett 92 126603 (2004) 29

S Zhang Phys Rev Lett 85 393 (2000) 30

R H Silsbee A Janossy and P Monod Phys Rev B 19 4382

(1979) 31

S Mizukami Y Ando and T Miyazaki Phys Rev B 66 104413

(2002) 32 O Mosendz V Vlaminck J E Pearson F Y Fradin G E W

Bauer S D Bader and A Hoffmann Phys Rev B 82 214403

(2010) 33

H Nakayama K Ando K Harii Y Fujikawa Y Kajiwara T

Yoshino and E Saitoh J Phys Conf Ser 266 012100 (2010) 34

Hiroyasa Nakayama Kazuya Ando Kazuya Harii Yosuke

Kajiwara Tatsuro Yoshino Ken-ichi Uchida and Eiji Saitoh IEEE

Transactions of Magnetics 46 2202 (2010) 35

Kazuya Ando Yosuke Kajiwara Kohei Sasage Kenichi Uchida

and Eiji Saitoh IEEE Transactions on Magnetics Vol 46 No 6

p 1331-1333 (2010) 36

K Harii K Ando K Sasage and E Saitoh Phys Stat Sol

(c)4 4437-4440 (2007) 37

K Ando and E Saitoh J Appl Phys 108 113925 (2010) 38

T Yoshino Y Kajiwara K Ando H Nakayama T Ota K

Uchida and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062038 (2010) 39

A G Malrsquoshukov Severin Sakjina and Arne Brataas Phys

Rev B 81 060502(R) (2010) 40

H Nakayama K Ando K Harii Y Kajiwara T Yoshino K

Uchida T Ota and E Saitoh J Phys Conf Ser 200 062014

(2009) 41

K Ando T Yoshino and E Saitoh Appl Phys Lett 94 152509

(2009)

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42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

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감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

- 56 -

42

K Harii K Ando H Y Inoue K Sasage and E Saitoh J Appl

Phys 103 07F311 (2008) 43 S Mizukami Y Ando and T Miyazaki J Magn Magn Mater

226-260(Part 2) 1640-1642 (2001) 44 S Foner Rev Sci Instr 30 548 (1959) 45 D Polder Phys Rev 73(9) 155 (1948) 46 Duck-Ho Kim A masterrsquos thesis Inha Univ (2011) 47 Soshin Chikazumi Physics of Ferromagnetism Clanrendon

Press Oxford Second edition p69 p603 (1997)

- 57 -

감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

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감사의 글

2003 년 인하대학교에 입학한 이후 어느덧 8 년 이란 시간이 흘러

대학원 졸업을 앞두고 있습니다 지난 시간들을 돌아보면 때로는 힘이

들기도 하였지만 많은 분들의 도움을 통해 극복할 수 있었고 여기까지

성장할 수 있었습니다 너무나도 소중한 사람들을 만날 수 있었던 것에

대해 감사하고 이 지면을 빌려 그 분들께 진심으로 감사하는 마음을

전하고 싶습니다

먼저 부족한 저를 흔쾌히 받아주시고 지도해주신 유천열 교수님께

진심으로 감사 드립니다 교수님의 제자로 4 년 동안 생활하면서 많은

것을 배울 수 있었습니다 연구하는 방법과 생각하는 방법들을 가르쳐

주셨고 전공 지식뿐만 아니라 더 나은 사람으로 성장할 수 있는

가르침들과 조언 덕분에 많은 것을 깨닫게 되었습니다 교수님의

가르침을 가슴 깊이 새기고 어느 곳에서 어떤 일을 하게 되든 꾸준히

생각하며 발전하는 자랑스러운 제자가 되도록 노력하겠습니다

감사합니다

바쁘신 일정에도 불구하고 논문 심사를 맡아주시고 많은 조언을

해주신 이병찬 교수님과 허남정 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다

항상 학생들 입장에서 이해해주시고 좋은 말씀과 가르침을 주셨던

김기식 교수님께도 감사 드립니다 그리고 물리학을 가르쳐주시고

지도해주신 존경하는 물리학과 교수님들께 진심으로 감사 드립니다

4 년 동안 연구실에서 생활하면서 많이 정들은 우리 스핀트로닉스

식구들에게도 감사합니다 연구실 식구의 일이라면 자신의 일처럼

걱정해주고 챙겨주신 macho 혁철이형 때때로 형의 고해가 듣고 싶을

거에요 실험 진행이 어려울 때 많은 조언과 도움을 주신 신데렐라

정범이형 얼른 좋은 여자 분 만나시길 바랍니다 졸업논문을 쓸 때

가장 많은 도움을 주신 재훈이형 음주 후 먹는 찰떡파이는

맛있었습니다 친형같이 많은 것들을 챙겨주고 가끔 집에도 데려다

주는 동네친구 남희형 가끔 동네에서 만나요~ 누구도 식탐으로는

그녀를 이길 수 없다는 면의 종결자 가언이 제주도에서의 국수 먹던

너의 모습은 잊을 수 없을거야ㄷㄷ 연구실 막내로서 요즘 한참

- 58 -

이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건

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이것저것 배우느라 바쁜 물빛이 챔버 포토리소그래피와 이온밀링

아이들 잘 부탁한다 학부연구생으로 연구실에 들어온 삐쟁이 황래

앞으로는 많이 안 놀릴께 삐지지마 여러분 덕분에 많은 추억을 만들

수 있었습니다 감사합니다 또한 먼저 졸업하신 연구실 선배님들께도

감사 드립니다 연구실 왕고에서 현재는 대기업 과장님이신 승석이형

독일에서 고생하고 계시는 준서형 만날 때 마다 많은 조언을 해주시는

호택이형 취업에 관련하여 많은 정보를 주신 민효형 최근 결혼하신

인모형 모든 일에 열심히 임하는 운동홀릭 용확이형 지금은

서울대학교에서 열심히 연구중인 덕호 아직은 살짝 어색한 덕원이형

재철이형 병규형 병묵이형 모든 졸업생 분들께도 감사합니다

대학생활을 겪으면서 만나게 된 모든 선 후배와 동기들에게도 감사의

말을 전합니다 많은 추억을 만들어 준 소리나누기 학회 친구들과

물리학과 학우들 대학생활을 하는데 많은 도움을 주신 과사무실

실험준비실의 조교님들께도 감사합니다

항상 옆에서 힘이 되어주는 친구들도 감사합니다 최근 크게 아파서

고생한 창식이 얼른 완쾌되길 바란다 은영이랑 좋은 소식도 슬슬

기대해보마 까칠한 말투의 전형적인 B 형 문석이 이제 말투 바꾸고

얼른 좋은 여자 만나라 어딘가 2 부족한 동네 바보 승용이 요즘

하고 있는 일 열심히 하고 좋은 결과 있길 바란다 그저 착한 새가슴

성민이 키는 충분하니까 이제 살 좀 찌우자 점점 살만 쪄가는 볼탱

상균이 운동하자~ 오랜 시간 동안 많은 추억을 만들어 준 울보

수진이 미안하고 고맙다

마지막으로 사랑하는 가족들에게 감사의 말씀을 드립니다 항상 저의

의견을 믿고 존중해 주신 부모님께 더욱 효도할 수 있는 아들이

되도록 노력하겠습니다 그리고 형보다 더 믿음직스러운 동생인

홍준이도 항상 건강하고 원하는 바를 이루길 바란다

너무나 소중한 사람들을 만나서 지금의 제가 있을 수 있다고

생각합니다 감사합니다

2011 년 7 월 5N436 스핀트로닉스 연구실에서

김 홍 현

  • 1 서 론
  • 2 이론적 배경
    • 21 강자성 공명
    • 22 스핀 펌핑
    • 23 역 스핀 홀 효과
      • 3 역 스핀 홀 효과 샘플 제작
        • 31 샘플 제작 방법
          • 311 포토리소그래피
          • 312 DC 마그네트론 스퍼터링
          • 313 이온 밀링
            • 32 역 스핀 홀 효과 샘플 구조
              • 4 측정 및 분석
                • 41 시료 진동 자력계
                • 42 자기-광학 Kerr 효과
                • 43 벡터 네트워크 분석기
                  • 5 결과 및 논의
                    • 51 자기이력곡선 측정 결과
                    • 52 강자성 공명 측정 결과
                    • 53 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 6 결 론
                      • 참고 문헌
                      • Fig 21 The dynamics of magnetization M(t) under an effective magnetic field Heff
                      • Fig 22 A schematic illustration of spin pumping in ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer
                      • Fig 23 (a) A schematic illustration of the Spin Hall Effect(SHE) (b) A schematic illustration of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE)
                      • Fig 24 A schematic illustration of the spin pumping effect and the Inverse Spin Hall Effect(ISHE) in the ferromagnetic metalparamagnetic metal bilayer Js and Jc denote the spatial directions of a pure spin current generated by spin pumping and an electric current generated by ISHE respectively
                      • Fig 25 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ()dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 26 (a) Field (H) dependence of the FMR signal dIdH for a Ni81Fe19Pt bilayer film and a Ni81Fe19 Film Here I denotes the microwave absorption intensity (b) Field dependence of ( ) dVHdH for the Ni81Fe19Pt sample V denotes the electric-potential difference between the electrodes on the Pt layer18
                      • Fig 27 (a) Optical image of the PyPt bilayer integrated into the coplanar waveguide (b) Contacts are added at the end of the bilayer to measure the voltage along the waveguide direction32
                      • Fig 28 Voltage measured at 4 GHz as a function of angle of the external magnetic field with respect to the coplanar waveguide axis Experimental data and fits are shown with symbols and solid lines respectively32
                      • Fig 29 본 연구에서 사용된 ISHE 샘플 구조
                      • Fig 31 spin-coater
                      • Fig 32 실험에서 사용된 마스크 얼라이너(Contact aligner)
                      • Fig 33 마스크 얼라이너의 종류
                      • Fig 34 실험에서 사용된 필름 마스크
                      • Fig 35 DC Magnetron Sputtering Chamber (7 Magnetron Sputtering guns with shutter temperature controllable substrate stage)
                      • Fig 36 (a)Lift-off 공정 후 GlassPdPy 이중박막의 구조 (b)Lift-off 공정 후 GlassCuPy 이중박막의 구조
                      • Fig 37 Py 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 38 Pd 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 39 Cu 박막의 증착 두께 fitting
                      • Fig 310 (a) Ion milling gun (b) Ion source control unit
                      • Fig 311 이온밀링 공정
                      • Fig 312 이온밀링 5분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 313 이온밀링 10분 진행한 테스트용 Py 샘플의 AFM data
                      • Fig 314 Py 박막의 식각두께 fitting
                      • Fig 315 ISHE 샘플 제작 과정
                      • Fig 316 ISHE 샘플 확대 모습
                      • Fig 317 CPW 위에 ISHE 샘플을 올려놓은 모습
                      • Fig 41 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
                      • Fig 42 Vibrating Sample Magnetometer block diagram
                      • Fig 43 Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
                      • Fig 44 Magneto-Optical Kerr Effect block diagram
                      • Fig 45 Vector Network Analyzer (HP 8510C) Probestation amp electromagnet
                      • Fig 46 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 데이터를 Lorentz fitting한 결과
                      • Fig 47 샘플을 CPW 위에 올려놓은 상태
                      • Fig 48 CPW에 probe를 접촉한 상태
                      • Fig 49 PCB 기판에 ISHE 샘플을 부착하고 Indium contact 한 모습
                      • Fig 410 샘플 홀더를 이용하여 ISHE 샘플을 CPW에 접촉한 모습
                      • Fig 51 (a) GlassPy(10 nm) (b) GlassPd(10 nm)Py(10 nm) (c) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) (d) patterned GlassPd(10 nm) Py(10 nm) (e) patterned GlassCu(10 nm)Py(10 nm)
                      • Fig 52 VSM을 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 53 MOKE를 이용하여 측정한 자기이력곡선
                      • Fig 54 (a) S-parameter로 측정된 raw data (b) 프로그램을 이용하여 자기감수율 값으로 변환한 data
                      • Fig 55 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 56 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 이방성 자기장(aH)과 포화자화 값(S4M)
                      • Fig 57 GlassPd(10 nm)Py(10 nm) GlassCu(10 nm)Py(10 nm) GlassPy(10 nm) 샘플의 길버트 감쇠인자()
                      • Fig 58 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patternedGlass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 VNA-FMR 측정 결과
                      • Fig 59 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm) patterned Glass Cu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 이방성 자기장( a H )과 포화자화값(S 4 M )
                      • Fig 510 patterned GlassPd(10 nm)Py(10 nm)구조의 ISHE 샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • Fig 511 patternedGlassCu(10 nm)Py(10 nm)샘플의 역 스핀 홀 전압 측정 결과
                      • 표 31 이온 밀링 공정 조건