반강자성체(antiferromagnetic, AFM)인 IrMn 기반 거대자기저항-스핀밸브(giant magnetoresistance-spin valve, GMR-SV) 다층박막 시료를 제작하였다. 박막시료를 후열처리 하는 동안 적용된 외부자기장에 의해 유도된 박막의 평면에서의 강자성(ferromagnetic layer, FM)층의 인위적 회전효과가 자기저항(magnetoresistace, MR) 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 이중구조형 GMR-SV 다층박막에 고정 NiFe층과 자유 NiFe층 자화가 용이축의 각도에 따라 형성되게 유도하는 후열처리의 방위각 영역은 ? = 0°~ 60°이었다. 자기저항비(magnetoresistance ratio, MR(%))는 자기저항곡선으로부터 얻었다. 특히 열처리시 시료의 온도를 90 ℃와 100 ℃ 그리고 110 ℃로 적용한 결과, 용이축이 형성된 각도별로 측정된 자장감응도(magnetic sensitivity, MS)는 1.4 %/Oe로 등방성 영역을 유지함을 확인하였다.
반강자성체인 NiO 박막을 하부층과 상부층 그리고 중간층으로 삽입한 4가지 형태의 다층구조 MR-SV 박막을 glass 위에 rf-와 dc-마그네트론 스퍼터링 방법으로 제조하였다. 모든 박막시료들을 상온과 77 K에서 major 및 minor의 범위 내 측정한 MR 곡선으로부터 자기적 특성을 비교 분석하였다. NiO 박막이 삽입된 상부층의 단일구조를 갖는 GMR-SV 다층박막은 77 K에서 반강자성층과 고정층 사이의 교환결합세기(exchange coupling field, Hex), 보자력(coercivity, Hc), 고정층과 자유층 사이의 교환결합세기인 상호교환결합력(interlayer coupling field, Hint), MR 그리고 MS는 각각 110 Oe, 115 Oe, 4.5 Oe, 7.1% 그리고 1.0 %/Oe 이었다. NiO 박막이 중간층으로 삽입되어 2개로 분리됨에 따라 자유층에 의한 히스테리시스 곡선은 안정된 사각비를 형성하면서 MR는 3.5%와 6.0%의 합인 9.5% 이었고, MS는 2.2 %/Oe로 나타났다. 반면에 NiO 박막이 삽입된 하부층의 단일구조와 하부층과 상부층의 이중구조를 갖는 GMR-SV 다층박막의 Hc는 크게 증가하였으나 MS는 뚜렷이 감소함을 보였다. 이중구조를 갖는 GMR-SV 다층박막의 강자성체인 고정층과 자유층의 자화 스핀배열이 서로 반평행 상태일 때 자기저항비는 최대값으로 나타났다.
사파이어(Al2O3) 기판으로 하여 증착된 고온초전도체(high Tc superconductor, HTS) YBa2Cu3O7-x(YBCO) 박막 위에 GMR-SV NiO/NiFe/Cu/NiFe/Ta 다층박막과 코닝유리(corning glass)을 기판 위에 GMR-SV 박막을 마그네트론 스퍼터링법으로 제작하였다. 두 개의 박막시료들을 상온과 액체질소 상의 온도 77 K에서 측정하여 얻은 MR 곡선으로부터 그 특성을 비교 분석하였다. 하이브리드형 고온초전도체 박막과 GMR-SV 다층박막은 NiO의 두께가 10 nm 일 때 77 K에서 측정하여 얻은 MR 곡선으로부터 음의 MR(%), Hex, Hc는 각각 ?7.7%, 120 Oe, 125 Oe 이었고, NiO의 두께가 60 nm 일 때 양의 MR값은 +7.3% 이었고, Hex와 Hc는 각각 205 Oe와 210 Oe 이었다. 4-단자로 측정한 glass/NiO/NiFe/Cu/NiFe/Ta인 GMR-SV 다층박막은 선형적인 전류-전압(I-V) 곡선을 보였다. 틈 층(gap(G) layer)으로 반강자성체인 NiO 두께가 10 nm와 60 nm로 서로 다른 하이브리드형 Al2O3/YBCO/NiO/NiFe/Cu/NiFe/Ta 다층박막은 77 K에서 전류값이 1.67 mA일 때 저항값은 각각 1.15 Ω와 59.4 Ω이었다. 또한 전류값이 15.7 mA일 때 저항값은 각각 1.02 Ω와 50.2 Ω으로 감소하는 비선형 특성을 보였다. 고온초전도체인 YBCO 박막의 저항값이 0 Ω인 임계온도 이하인 77 K에서 4-단자법으로 측정하여 얻은 반전된 MR 곡선과 비선형 I-V 곡선이 나타난 것을 전류전달효과(current transfer effect, CTE)가 이루어지는 현상으로 설명하였다.
상용화된 고온초전도체 YBCO 박막 위에 GMR-SV NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta 다층박막을 이온빔 증착법으로 제작하였다. 하이브리드 YBCO 박막의 두께는 300 nm이고 반강자성체 IrMn 기반 GMR-SV 박막의 두께는 55 nm이었다. YBCO 박막의 초전도체 특성을 임계온도와 임계전류밀도는 4-단자로 측정한 R-T 곡선, 마이크로파 공진기로 측정한 Q-T 곡선과 I-V 곡선으로 확인하였다. 특히 반전된 MR 곡선에서 나타난 음의 자기저항비가 ?7.4%가 되는 현상을 임계온도 이하인 액체질소 온도에서 2-단자, 3-단자, 4-단자 방법으로 측정한 자기저항곡선과 I-V 곡선으로부터 전류전달효과로 설명하였다. 또한 YBCO 박막과 GMR-SV 박막 사이에 9.3 nm의 두께의 틈(gap, G) 층이 존재함을 SEM(scanning electron microscope) 영상으로 확인하였다. G 층의 존재로 인해 내부저항인 잔류저항은 0.456 Ω 크기로 측정되었으며, GMR-SV의 스핀자화 배열의 변화에 의존하는 초전도체로 전류전달의 차이를 발생시켰다.
반강자성체인 NiO를 기반으로 한 NiFe/Cu/NiFe/Ta 구조를 갖는 NiO계 GMR-SV 다층박막을 스퍼터링 방법으로 제조하여 4-단자에서 센싱 전류가 지나가는 박막의 폭 간격이 조건마다 다르게 제작하였다. 4가지 다른 폭 간격별로 형성한 시료들을 상온과 77 K에서 각각 측정한 major 및 minor MR 곡선으로부터 자기저항 특성을 조사하였다. 폭 간격 4 mm의 시료를 상온에서 측정한 MR 곡선으로부터 얻은 고정층 NiFe의 Hex와 Hc, MR(%)는 각각 30 Oe, 35 Oe, 3.3%이었고, 77 K에서는 각각 190 Oe, 200 Oe, 7.3%으로 크게 향상되었다. 시료의 폭 간격이 4.0 mm에서 0.5 mm까지 좁아짐에 따라 상온과 77 K에서 측정한 자기저항곡선으로부터 얻은 자유층 NiFe의 Hex와 Hc 는 각각 일정하였다. 폭 간격이 0.5 mm 일 때가 MR는 상온에서 2.9%, 77 K에서 6.4%로 4.0 mm 일 때 보다 감소하였다. 이러한 특성을 바탕으로 고온초전체 YBCO 박막과 NiO계 GMR-SV 다층박막의 구조를 갖는 하이브리드형 자체구동 스핀소자로서의 개발 가능성을 제안하였다.

The magnetoresistance(MR) properties of antiferromagnetic (AFM) IrMn based giant magnetoresistance-spin valve(GMR -SV) was investigated in view point of the artificial rotation effect of ferromagnetic(FM) layer in the plane induced by an applied field during the post annealing temperature. The MR curves measured with an azimuthal angle region of ? = 0°∼360° are depended on the annealing temperature and the magnetization easy axis of two free NiFe layers and two pinned NiFe layers in dual-type GMR-SV film. Especially, the annealing temperature and sample rotation angle(θ) maintained to the magnetic sensitivity(MS) of 1.4 %/Oe with an isotropic region angle of 110°are 100 °C and 90°, respectively.
GMR-SV multilayer films were fabricated on rf- and dc-magnetron sputtering systems on glass in four different forms, in which NiO thin films were inserted into the bottom, top and middle layers. The magnetic properties of all thin film samples were investigated from the major and minor MR curves measured at room temperature and at 77 K. The exchange coupling field(Hex) and coercivity(Hc) of the pinned NiFe layer, the Hc and interlayer coupling field(Hint), magnetoresistance ratio (MR(%)), and magnetic sensitivity (MS) of the free NiFe layer in the single-type GMR-SV multilayer with the NiO film inserted at the layer were 110 Oe, 115 Oe, 4.5 Oe, 7.1%, and 1.0 %/Oe, respectively. The hysteresis curves of the two free layers with the NiO thin film inserted into the middle layer formed a stable squareness ratio, which was 9.5% for the sum MRs of 3.5% and 6.0%, and 2.2 %/Oe for the MS. On the other hand, the Hc and MS of the single structure of the bottom NiO film inserted and the dual-type GMR-SV multilayer of the bottom and top layers were greatly increased and decreased, respectively. The MRs of the GMR-SV multilayers with the magnetization of spin array configuration of the pinned layer, which is a ferromagnetic material, and the free layer are antiparallel to each other. The MR of dual-type GMR-SV multilayer showed the maximum value when the spin arrays of magnetization configuration of the pinned and free layers is antiparallel to each other.
The MR curves of GMR-SV multilayer on corning glass and sapphire(Al2O3)/high-Tc superconductor(HTS) YBa2Cu3O7?x(YBCO)/GMR-SV NiO/NiFe/Cu/NuFe/Ta multilayer film fabricated by magnetron sputtering were compared and analyzed. The hybrid type HTS and GMR-SV multilayer film with antiferromagnetic NiO thickness of 10 nm has a negative MR ratio of -7.7%, an Hex of 120 Oe, a Hc of 125 Oe, respectively. However, there is exist a positive MR ratio of +7.3% with a Hex of 205 Oe and a Hc of 210 Oe in case of NiO thickness of 60 nm. The glass/NiO/NiFe/Cu/NiFe/Ta multilayer showed linear current- voltage (I-V) curve, but the Al2O3/YBCO/NiO(10 nm, 60 nm)/NiFe/Cu/NiFe/Ta multilayer showed a nonlinear I-V curve in which the resistance values of 1.15 Ω and 59.4 Ω decreased to 1.02 Ω and 50.2 Ω when the current of 1.67 mA increased to 15.7 mA, respectively. This results are explained by the current transfer effect(CTE) in the 4-probe electrode measurement method occurred when the resistance of the YBCO film is 0 Ω at the temperature lower than the critical temperature.
A GMR-SV NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta multilayer film was fabricated by ion beam deposition on a commercial HTS YBCO film. The thickness of the hybrid YBCO thin film was 300 nm and one of the antiferromagnetic IrMn-based GMR-SV thin film was 55 nm. The superconductor characteristics of the YBCO thin films were confirmed by the R-T curve measured with 4-terminal and the Q-T and I-V curves measured with a microwave cavity resonator. In particular, the phenomenon of negative MR ratio in the reversed MR curve of ?7.4% is explained by the current transfer effect(CTE) from the MR and the I-V curves measured by the 2-, 3-, and 4-probe methods at 77 K below the critical temperature. It was also confirmed by SEM(scanning electron microscope) image that a gap layer of 9.3 nm was present between the YBCO film and the GMR-SV multilayer. The residual resistance of 0.456 Ω was measured due to the presence of the gap layer and the difference in current transfer was caused by the superconductor depending on the change of the spin magnetization array configuration of GMR-SV.
The giant GMR-SV multilayer of NiFe/Cu/NiFe/Ta based on antiferromagnetic NiO was fabricated by using a sputtering deposition system. The thin multilayer with a width of the thin film passing through the 4-terminal was formed differently. The magnetic properties obtained from the major and the minor MR curves measured at RT and at 77 K were investigated for thin films with four different widths. The Hex, the Hc, and the MR(%) of the NiO GMR-SV multilayer with a 4 mm width were 30 Oe, 35 Oe, and 3.3% at RT and 190 Oe, 200 Oe, and 7.3% at 77 K. The value of Hex and Hc for the NiFe free layer were constant at RT and 77 K, as the width of the multilayer decreased from 4.0 mm to 0.5 mm, and the MR ratio decreased linearly to 2.9% at RT and 6.4% at 77 K. Based on these properties, we proposed a self-driving spin-device(2SD) that can be developed as a hybrid-type multilayer composed of HTS YBCO film and NiO spin valve film.