현대 스핀트로닉스에서, 강자성체/반강자성체 (FM/AFM) 이종구조와 같은 자기 다층 구조는 교환 바이어스 효과, 스핀 전달 토크, 터널링 자기 저항 등 새로운 실용적 기능을 실현하는 데 필수적입니다. 이러한 기능은 교환 상호작용 또는 인터페이스를 통한 캐리어 수송에 의해 결정되므로, 화학적 불일치와 구조적 불연속성이 존재하는 서로 다른 물질 사이에 형성된 자기 인터페이스를 최적화하는 것이 중요합니다. 본 연구에서는 수소 이온 조사를 이용하여 온도 의존적인 반강자성-강자성 상전이의 특성을 조정함으로써 단일 물질 내에서 FM/AFM 다층 구조를 생성할 수 있는 FeRh 의 가능성을 탐구하였습니다. 자기광학 효과들에 기반한 분석들을 통해 표면과 벌크의 자기 상태들을 각각 조사한 결과, 적절한 수소 이온 조사량(2.0×1015 H+/cm2) 을 통해 상온에서도 단일 FeRh 층 내에서 강자성(표면)/반강자성(벌크) 자기 다층 구조를 형성할 수 있음을 확인하였습니다. 강자성 및 반강자성 상태는 교환 바이어스 효과에 의해 잘 정의된 공간적 분리 상태로 안정화되며, 이를 통해 서로 다른 물질 간의 인터페이스에서 발생하는 한계를 완화할 수 있는 FeRh 기반 FM/AFM 이중층 구조의 가능성을 기대할 수 있습니다. 이 결과는 물질 과학 및 고체 물리 분야의 권위지인 Journal of Alloys and Compounds지에 (IF 5.8) 2024년 11월에 온라인 출판되었다.
In modern spintronics, magnetic multilayers, such as a ferromagnet/antiferromagnet (FM/AFM) heterostructure, are essential for achieving novel and practical capabilities, including the exchange bias effect, spin-transfer torque, tunneling magnetoresistance, etc. As these functions are determined by the exchange interaction or the carrier transport across the interface, it is critical to optimize the magnetic interface usually formed between different materials with the chemical mismatch as well as the structural discontinuity. Here, we explored the potential of FeRh for creating the FM/AFM multilayer within a single material by exploiting its tunability of the temperature-dependent AFM-FM transition with a hydrogen ion irradiation. We investigated bulk and surface magnetic states separately based on a magneto-optical Kerr effect and magnetization-induced second-harmonic generation, respectively, and could reveal that FeRh can host the FM (surface)/AFM (bulk) magnetic multilayer within a single layer of FeRh even at room temperature prepared with a hydrogen ion dose of 2.0×1015 H+/cm2. As the FM and AFM states are stabilized with a well-defined spatial separation as manifested by the exchange bias effect, we expect the FeRh-based FM/AFM bilayer to alleviate limitations arising from the interfaces formed by otherwise different materials.
Authors: Hyo Seok Kim, Sehwan Song, In Hyeok Choi, Sungkyun Park, Jong Seok Lee
Publication Date: January 2025
Journal link: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177447
