비정질 TbFeCo 얇은막에서의 이상 널스 효과와 베리 곡률 제어

초록

본 연구는 비정질 Tb‑Fe‑Co 합금 얇은막의 조성에 따라 이상 널스 계수(ANE)가 크게 변함을 규명한다. Tb 함량과 Fe/Co 비율을 체계적으로 바꾸어 측정한 결과, Tb 11.0 at% (Fe 50.0 Co 50.0) 89.0 조합에서 1.8 µV/K의 최대 ANE 값을 얻었다. 전기·열전 특성을 분석한 결과, ANE는 직접 전자 전도에 의한 S₁와 Seebeck‑AHE 복합 효과인 S₂의 합으로 설명되며, 베리 곡률에 기인한 이상 널스 전도도(σ_ANE)는 전이 금속 조성에 따라 크게 달라진다. 비정질 구조에서도 전이 금속의 전자 상태가 베리 곡률에 의해 조절될 수 있음을 보여준다.

상세 분석

본 논문은 비정질 Tb‑Fe‑Co 합금 얇은막의 조성‑의존성을 정밀하게 탐구함으로써, 전통적으로 결정질에서만 기대되던 베리 곡률 기반의 전자 현상이 비정질 상태에서도 실현될 수 있음을 입증한다. 먼저, Tb 함량을 0 ~ 30 at% 범위에서 변화시키고, 동시에 Fe와 Co의 비율을 Fe₀Co₁₀₀, Fe₂₅Co₇₅, Fe₅₀Co₅₀, Fe₇₅Co₂₅, Fe₁₀₀Co₀와 같이 5가지로 설정하였다. 각 시료는 SiN 보호층/비정질 합금/SiN 캡 구조로 제작되었으며, XRD와 EPMA를 통해 비정질성 및 정확한 조성을 확인하였다.

자기적 특성에서는, Tb 함량이 증가함에 따라 Tb와 전이 금속 사이의 반강자성 결합으로 인해 포화자화(M_s)가 감소하고, 약 25 at% Tb에서 자화 보상점(MCP)이 도달한다. Fe 함량을 높일수록 전이 금속 서브격자의 자화가 강화되어 MCP가 RE‑rich 쪽으로 이동한다는 점이 중요한 발견이다. 이는 전이 금속의 전자 구조가 베리 곡률에 미치는 영향을 이해하는 데 기초가 된다.

전기 전도성 측면에서는, Tb 도핑이 증가할수록 전기 저항(ρ)이 단조롭게 상승한다. 이는 Tb 원자가 큰 스핀‑궤도 상호작용을 제공하면서 전자 산란을 강화하기 때문이다. Hall 저항(ρ_xy) 역시 Tb 함량에 따라 비대칭적인 변화를 보이며, 특히 Fe₇₅Co₂₅ 조성에서 최대값을 나타낸다. 이는 Fe‑Co 합금 자체가 가장 높은 스핀‑극화와 강한 스핀‑궤도 결합을 갖기 때문이며, Onoda의 스케일링 분석에 따르면 이 조합은 ‘intrinsic’ 영역에 해당한다.

열전 특성에서는 Seebeck 계수(S)와 ANE 계수(α_N) 모두 조성에 민감하게 변한다. α_N은 온도 구배와 수직 자기장 하에서 측정된 전기장(E)와 구배(∇T) 사이의 비율로 정의되며, S₁(직접 전자 전도)와 S₂(Seebeck‑AHE 복합) 두 기여로 분해된다. 식 α_N = σ·α_xy + S·ρ_xy·σ 로부터, σ_xy(이상 널스 전도도)는 베리 곡률에 직접 비례한다는 점을 확인하였다. 실험 결과, σ_xy는 Fe 함량이 증가함에 따라 감소하고, Fe₇₅Co₂₅에서 최소값을 보인다. 이는 Fe‑Co 전이 금속의 전자 밴드 구조가 베리 곡률을 크게 변조함을 의미한다.

특히, Tb 11.0 at% (Fe 50.0 Co 50.0) 89.0 조합에서 α_N = 1.8 µV/K라는 최고값을 기록했으며, 이는 기존 비정질 Fe‑Sn 합금(2.0 µV/K)과 견줄 만한 수준이다. 이때 σ_xy는 약 0.3 S·cm⁻¹ 정도로, 전이 금속의 전자 밴드가 베리 곡률을 통해 효율적인 전하 운반을 가능하게 함을 보여준다.

결론적으로, 비정질 Tb‑Fe‑Co 얇은막에서도 전이 금속의 전자 수와 스핀‑궤도 상호작용을 조절함으로써 베리 곡률 기반의 이상 널스 효과를 설계할 수 있다. 이는 결정성 결함이나 장기적인 결정 구조가 없어도, 단거리의 원자적 순서와 전자 밴드 구조가 충분히 베리 곡률을 생성한다는 중요한 물리적 통찰을 제공한다. 향후 고감도 열 플럭스 센서, 스핀‑칼로리트로닉스 소자 등에 비정질 재료를 활용한 설계 전략이 확대될 전망이다.