When a material is placed within a magnetic field, the magnetic forces of the material's electrons will be affected. This effect is known as Faraday's Law of Magnetic Induction. However, materials can react quite differently to the presence of an external magnetic field. This reaction is dependent on a number of factors, such as the atomic and molecular structure of the material, and the net magnetic field associated with the atoms. The magnetic moments associated with atoms have three origins. These are the electron motion, the change in motion caused by an external magnetic field, and the spin of the electrons.
In most atoms, electrons occur in pairs. Electrons in a pair spin in opposite directions. So, when electrons are paired together, their opposite spins cause their magnetic fields to cancel each other. Therefore, no net magnetic field exists. Alternately, materials with some unpaired electrons will have a net magnetic field and will react more to an external field. Most materials can be classified as diamagnetic, paramagnetic or ferromagnetic.
Diamagnetic materials have a weak, negative susceptibility to magnetic fields. Diamagnetic materials are slightly repelled by a magnetic field and the material does not retain the magnetic properties when the external field is removed. In diamagnetic materials all the electron are paired so there is no permanent net magnetic moment per atom. Diamagnetic properties arise from the realignment of the electron paths under the influence of an external magnetic field. Most elements in the periodic table, including copper, silver, and gold, are diamagnetic.
Paramagnetic materials have a small, positive susceptibility to magnetic fields. These materials are slightly attracted by a magnetic field and the material does not retain the magnetic properties when the external field is removed. Paramagnetic properties are due to the presence of some unpaired electrons, and from the realignment of the electron paths caused by the external magnetic field. Paramagnetic materials include magnesium, molybdenum, lithium, and tantalum.
Ferromagnetic materials have a large, positive susceptibility to an external magnetic field. They exhibit a strong attraction to magnetic fields and are able to retain their magnetic properties after the external field has been removed. Ferromagnetic materials have some unpaired electrons so their atoms have a net magnetic moment. They get their strong magnetic properties due to the presence of magnetic domains. In these domains, large numbers of atom's moments (1012 to 1015) are aligned parallel so that the magnetic force within the domain is strong. When a ferromagnetic material is in the unmagnitized state, the domains are nearly randomly organized and the net magnetic field for the part as a whole is zero. When a magnetizing force is applied, the domains become aligned to produce a strong magnetic field within the part. Iron, nickel, and cobalt are examples of ferromagnetic materials. Components with these materials are commonly inspected using the magnetic particle method.
Crystal optics is the branch of optics that describes the behaviour of light in anisotropic media, that is, media (such as crystals) in which light behaves differently depending on which direction the light is propagating. The index of refraction depends on both composition and crystal structure and can be calculated using the Gladstone-Dale relation. Crystals are often naturally anisotropic, and in some media (such as liquid crystals) it is possible to induce anisotropy by applying an external electric field.
where ε0 is the permittivity of free space and P is the electric polarization (the vector field corresponding to electric dipole moments present in the medium). Physically, the polarization field can be regarded as the response of the medium to the electric field of the light.
Electric susceptibility
In an isotropic and linear medium, this polarisation field P is proportional to and parallel to the electric field E:
is the dielectric constant of the medium. The value 1+χ is called the relative permittivity of the medium, and is related to the refractive indexn, for non-magnetic media, by
Anisotropic media
In an anisotropic medium, such as a crystal, the polarisation field P is not necessarily aligned with the electric field of the light E. In a physical picture, this can be thought of as the dipoles induced in the medium by the electric field having certain preferred directions, related to the physical structure of the crystal. This can be written as:
Here χ is not a number as before but a tensor of rank 2, the electric susceptibility tensor. In terms of components in 3 dimensions:
The physical origin of GMR is the electron spins effect on the electronic transport in ferromagnetic conductors. The first proposal by Mott described the spin splitting of the energy bands in the ferromagnetic spin states induces the specific transport behavior. Then, Fert and Grünberg experimentally demonstrated the spin dependent conduction in ferromagnetic metals and a series of iron- and nickel-based alloys. The experimental results could be explained by the so called “two current model”, as schematically shown in Fig. 3. In the low temperature limit, the spin flip scattering of the conduction electrons due to magnons is frozen out, thus the spin mixing rate is much smaller than the momentum relaxation rate. The electrical current can be described by the two independent parallel channels: spin↑ (majority) and spin↓ (minority) electrons. The resistivity can be expressed as where and are the resistivity of spin ↑ and spin ↓ channels, respectively.
There are several kinds of contributions to the difference between and . These contributions are either intrinsically related to the spin dependence of the electrical conductivity parameter, where , τv is the spin relaxation time, mv is the effective mass, and n(EF) is the density of states at the Fermi level nν(EF), or extrinsically to the spin dependence of the impurity or defect potential. The latter case has been experimentally proved by Fert and Campbell. They have demonstrated that the asymmetry ratio α of spin↑and↓resistivities, defined by , can be as large as 20, for instance, when 1% of Co or Fe impurities are introduced in a Ni sample. The higher spin asymmetry ratio results in the manifest magnetoresistance effect.
The spin-valve type GMR effect
In 1990, S.S.P. Parkin et al. reported an oscillatory GMR behavior as the thickness of the nonmagnetic layer increases for Fe/Cr, Co/Ru and Co/Cr multilayers. In fact, the behavior is a result of the interlayer exchange coupling variation between ferromagnetic and antiferromagnetic coupling. The GMR effect can be observed only for the antiferromagnetic interlayer coupling and the behavior is related to the so-called RKKY effect.
Although the magnetic multilayers of ferromagnetic- and nonmagnetic-metal have shown very large MR ratio, the large saturation field hinders the practical applications in electronic devices. Therefore, the spin-valve type giant magnetoresistance is explored as illustrated in Fig.
Since 1991, the spin-valve type structure has been included in the GMR systems and now extensively used in magnetic recording devices such as read head for hard disk. The structure consists of the free ferromagnetic layer (lowest), nonmagnetic layer, pinned ferromagnetic layer (FeMn or IrMn) and antiferromagnetic layer (top).The free ferromagnetic layer in this structure can switch at very lower filed range, but the magnetization of the pinned ferromagnetic layer is fixed along the negative field direction due to the interface induced exchange-biased effect. Thus, the significant MR ratio occurs at lower field is very suitable for practical applications. On the other hand, the spin-valve type structure is restricted to trilayer devices and cannot be extended to multilayers with the highest GMR ratio. In fact, a trilayer can be equivalent to a multilayer by improving the electron specular reflectivity at the outer surfaces. So, the spin-valve type structure also demonstrates very large GMR effect for applications.
Is there a relation between magneto-crystalline anisotropy and the orbital moment?
A spin-reorientation from in-plane to out-of-plane occurs when the magneto-crystalline anisotropy favors an out-of-plane magnetization and is large enough to overcome the shape anisotropy. The magneto-crystalline anisotropy and hence the perpendicular magnetic anisotropy is given by the anisotropy in the spin-orbit energy, ΔESO.
P. Bruno showed that it is possible to derive a linear relationship between the orbital moment anisotropy and the magneto-crystalline anisotropy.
교환바이어스(exchange bias)를 설명하기 전에 우선은 자성에 대해 간단하게 살펴봅시다. 자성을 이해하려면 원자 단위부터 들어가야 합니다. 원자내엔 핵과 전자가 있습니다. 여기서 전자는 핵의 인력에 묶여 핵 주위를 공전하고 있습니다. 전자는 아시다시피 (-) 전하를 갖고 있습니다. 이러한 전하의 이동은 전류를 만들어냅니다. 따라서 전기와 자기는 같이 묶어서 생각할 수 있습니다. 이 말은 전기가 흐르면 그 주위에는 자력이 발생하고 자석이 움직이면 그 안에는 전기가 흐르게 됩니다. 어쨋든 핵에 묶여 있는 전자는 공전운동을 하기때문에 원형 전류에 의한 궤도 자기 모멘트가 생겨납니다. 또 전자자체가 자전 운동을 하고 있습니다. 마치 지구가 태양 주위를 공전하면서 자전을 하고 있는 모습이지요. 이러한 자전에 의한 스핀 자기 모멘트도 생겨납니다. 스핀 자기 모멘트와 궤도 자기 모멘트 때문에 원자 하나는 자기 모멘트를 갖습니다. 간단히 말하면 원자 하나하나가 하나의 자석입니다. 이것은 철같이 자석에 붙는 물질의 원자만이 아니라 모든 물질의 원자는 개개의 원자모멘트를 가지고 있습니다. 자, 그럼 여기서 질문이 하나 떠오르지요? 그럼 왜 자석에 붙는 물질이 있고 붙지않는 물질이 있을까요? 자석에 들러붙지 않는 물질은 각 원자 자기 모멘트의 총 합이 0입니다. 아니 정확히 말하면 영구자석을 빼고 철같이 자석에 달라붙는 물질도 평소엔 자기 모멘트 합이 0입니다. 합이 0이란 말은 원자가 가진 스핀들이 자기멋대로의 방향으로 즉, random하게 배열하고 있다는 뜻입니다. 다만 자석에 달라붙는 물질들은 평소엔 random하게 스핀들이 배열하고 있다가 주위에 자장(magnetic field)이 가해지면 스핀들이 한 방향으로 배열하기 시작합니다. 바로 자기장과 같은 방향으로 말입니다. 그렇다고 한번에 "착"하고 배열하는 것은 아니고 자기장의 세기에 따라 틀리고 물질에 따라 틀립니다. 그리고 자석에 붙지않는 물질들은 여러 형태가 있습니다만 대부분 자기장의 방향과 반대방향으로, 하지만 아주 아주 약한 모멘트를 가지고 배열을 합니다. 그 크기는 자기장 크기의 백만분의 1 정도로 작지요. 그래서 모든 원자가 자기 모멘트를 가지고 있습니다만 자석에 붙지 않는 물질이 있는 것은 대부분이 음의 자화값을 가지기 때문이죠. 여기서 기억해 둘 것은 자석에 붙는 물질들, 일반적으로 강자성체, 페리자성체, 상자성체등이 있지만 앞으로 자석에 붙는 물질이라 하면 간단히 강자성체를 지칭하는 말로 사용하겠습니다. 강자성체는 자기장이 가해지면 자기장 방향으로 스핀들(원자 자기 모멘트)이 회전을 시작하다가 자기장이 임계값이 되면 하나의 스핀형태가 됩니다. 이때 우리는 "포화(saturation)"되었다라고 말합니다. 여기에는 같은 방향을 가진 스핀들의 구역인 자구(domain)가 존재하지만 넘어가겠습니다. 또하나, 교환바이어스 현상을 설명하기 위해 필요한 자성체인 반강자성체에 대해서 설명하겠습니다. 반강자성체는 강자성체와 같이 자기장이 가해지면 스핀들이 일렬로 배열하지만 그 일렬이란 것이 한층이 오른쪽이면 그 아래층은 왼쪽으로 또 그 밑에 있는 층은 오른쪽으로, 다시 말하면 층간에 반평행하게 배열이 됩니다. 강자성체와 반강자성체가 서로 다른 스핀 배열을 하는 이유는 양자역학적으로 하이젠베르그의 교환력에 의해 설명이 됩니다. 이것은 원자내에서도 전자와 다른 전자, 전자와 핵간의 상호 교환작용에 의한 교환적분으로 교환 상수 J의 값이 (+)가 되는가, (-)가 되는가에 따라서 스핀이 서로 평행, 또는 반평행 되는가가 결정이 됩니다. 결국 스핀 배열에 의한 에너지가 낮은 쪽으로 결정이 되고 R/R3d (R:원자반경, R3d: 3d궤도 반경) 값에 의해 예측이 됩니다. 대표적으로 원자번호 상으로 서로 붙어있는 Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈)의 경우 Mn은 반강자성, 나머지 원소는 강자성을 나타냅니다. 또 Gd, Tb, Dy, Ho, Tm같은 원소와 Fe, Co, Ni, Mn등을 포함한 합금이나 산화물등은 강자성을 띄고 FeMn, IrMn, PtMn, FePtMn, NiO, CoO 같은 여러 물질등은 반강자성을 나타냅니다. 이런 강자성체와 반강자성체의 공통점은 일정온도 이상이 되면 상자성체로 바뀐다는 점입니다. 이것은 물질내 격자의 열운동에 의해 스핀 배열이 흐트러지면서 발생합니다. 따라서 온도가 올라가면 영구자석도 자석으로써 쓸모가 없어집니다. 이러한 자력을 잃는 온도(큐리 온도, 반강자성체의 경우 닐온도)는 물질마다 다르기 때문에 고온에서 자력이 필요한 경우는 일반적인 자석이 아닌 특별한 자석이나 전자석을 쓰게 되지요. 쉽게 설명하려고 했는데 잘 이해가 되었는지 모르겠습니다. 다음엔 본격적으로 교환결합에 대해 설명하겠습니다.
[출처]자성이란?|작성자키튼
□ IGZO 란?
IGZO 은 Indium 과 Gallium, Zinc, Oxide(1:1:1:3) 의 화합물로, 산화물 active layer를 가지는 TFT 에 주로 사용되는, 투명 산화물 반도체의 일종이다. 투명 산화물 반도체는 특성상 큰 밴드갭을 지니면서 캐리어이동도가 좋기 때문에, 가시광선 영역에서도 투명한 특성을 가지고 있다.
□ IGZO 의 특성
IGZO 는 Zinc-Oxide 화합물에 Indium 과 Gallium을 doping 한 형태의 화합물로, hexagonal 결정구조의 일종인 wurtzite 결정구조를 가지고 있다.
ZnO 화합물은 의료기기나 화학조미료 등 많은 분야에서 활용되지만, 반도체분야에서 역시 중요한 역할을 하고 있다. 3.37eV 의 밴드갭을 가지고 있으며, LED(Light Emitting Diode)에서 가장 많이 사용하고 있는데, 불순물 첨가에 따라 TCO 로 쓰일 수 있고 현재 많은 첨가물을 연구중에 있다. doping 에는 n-type doping 과 p-type doping 이 있는데, n-type doping 에는 알루미늄이나 인듐, 그리고 더 많은 아연 등이 첨가될 수 있으며, 현재 thin film technology 에 이용되고 있다.
물리용어조정안.xls
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