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MnAs/GaAs 박막에서의 자기저항효과

Magnetoresistance in epitaxially grown MnAs films on GaAs substrates



이 논문을 요약하자면 다음과 같다.

  1. 두께 250 nm의 Epitaxially grown MnAs/GaAs film에서 MR을 측정하였다.
  2. Field-dependent MR은 MMR(Magnon Magnetoresistance)의 경향성을 보인다.
  3. high-field regime은 MMR로, low-field regime은 GMR 및 DWR로 설명할 수 있다.

에피택시 성장법을 통해 기른 crystalline MnAs/GaAs film은 unique한 자구 구조와 상온 근처에서의 상전이, 그리고 강자성과 상자성의 두 상이 주기적인 stripe 구조로 공존하는 특성 때문에 2000년대 초반부터 지대한 관심을 받아왔다. [F. Schippan et al., J. Appl. Phys. 88, 2766 (2000)]은 MFM을 통해 100 nm MnAs/GaAs film의 자구 구조와 수평 자기장에 의한 자구의 변화를 관찰하였으며, [T. Plake et al., Appl. Phys. Lett. 82, 2308 (2003)]은 두께 130 nm의 film에서 온도에 따른 자구 구조의 변화와 상전이를 MFM을 통해 확인하였다. 이 논문에서는 이러한 자구 구조들이 전자의 움직임에 어떻게 관여하는지를 관찰하는, 흔히 말하는 MR(Magnetoresistance)을 측정하였다.

논문에서는 우선 SQUID-VSM을 통해 기본적인 자성 특성인 M-H curve를 측정하여 strong uniaxial In-plane magnetic anisotropy를 확인하였다. Coercive field는 각각 In-plane easy axis 방향으로 50 mT, In-plane hard axis 방향으로 2 T, out-of-plane 방향으로 1 T로 결정되었는데, 재미있는 점은 out-of-plane(수직) 방향으로의 anisotropy보다 In-plane hard axis 방향의 anisotropy가 훨씬 강하다는 것이다. 또한 MFM 측정을 통해 표면의 topography와 자구 구조를 관찰하였는데, 대략 1~2 um 수준의 stripe pattern과 In-plane 방향으로 아주 coherent한 alternating domain이 측정되었다. 해당 시편은 2011년에 vertical Bloch line을 관찰한[JinBae Kim et al., Appl. Phys. Lett. 98, 052510 (2011)] 시편과 동일한 시편으로, 최적의 증착 조건으로 만들어진 결정성이 좋은 시편이기에 자구 구조 또한 균일하고 결맞은 형태를 보여준다.

이 논문의 핵심은 바로 MR 측정인데, 전류를 In-plane easy axis와 hard axis 방향으로 흘려 주고 자기장은 easy axis, hard axis, out-of-plane으로 1.5 T 정도까지 가해 주어 총 6개의 geometry에 대한 field-dependent MR을 측정하였다. 6개의 결과를 종합하자면 우선 field에 의한 saturation 이후에는 field에 따라 저항이 linear하게 감소하는 현상이 나오고 이는 MMR(Magnon Magnetoresistance), 즉 자기장이 증가함에 따라 electron-magnon scattering이 억제되는 것으로 설명할 수 있다. Saturation 이전의 영역에서는 field에 따라 quadratic하게 감소하는 결과가 보이는데, 이는 field의 세기에 따라 field 방향으로 자화가 점차 정렬되고 있으므로 AMR(Anisotropic Magnetoresistance)로 해석할 수 있다. 이 때 0.1~0.2 T의 low field regime에서는 MMR에 의한 linear negative MR을 제외시켰을 때 어떤 다른 종류의 additional MR이 보이는데, 이는 자화 스위칭이 한꺼번에 되는 것이 아니라 도메인이 변하며 조금씩 뒤집어지고 있으므로 자구들의 평행과 반평행에 따른 GMR(Giant Magnetoresistance), 그리고 전자가 지나갈 때 자구벽에 의한 저항을 느끼는 DWR(Domain Wall Resistance)에 의한 효과임을 서술하였다.

MnAs/GaAs film에서 측정할 수 있는 MR을 모든 방향에 대해 측정해 보고 그 결과를 해석한 논문으로, 해당 물질의 magnetotransport 현상이 총정리 되어있는 좋은 논문이다. 이 논문에서는 MMR이 기존에 알려진 이론 식을 따르는 지, 그 origin이 conventional 3d ferromagnetic MMR이 맞는지에 대한 판단은 없었는데, MMR 결과 피팅을 통해 그 origin을 파악해보면 좋을 것 같다. Mn이 포함된 물질이므로, itinerant ferromagnet 등 다른 모델로 해석될 수 있지 않을까? 온도 변화에 따라 Bloch line을 관찰한 보고가 있으므로 온도에 따른 MR의 측정 결과도 분석해보면 좋지 않을까? 또한, lithography를 통해 패턴을 만들어 MR을 측정해보면 어떨까? 특이한 자구 구조와 MR이 보이는 물질이고 필자도 동일한 물질에서 MFM 및 MR 측정을 진행하고 있으므로, 해당 물질과 관련하여 측정 혹은 분석 아이디어가 있다면 언제든 알려 주시면 감사하겠습니다 😊


작성 양지석
E-mail : seoks@kaist.ac.kr

참석자: 박민규, 박재현, 박지호, 이근희, 김현규, 송무준, 지유빈, 고산


DOI:
https://doi.org/10.1063/1.2763984