Co/Pb多层膜的磁垂直各向异性与磁光克尔效应

我们用射频磁控溅射方法制备了一系列Ｃｏ／Ｐｂ多层膜样品，转矩仪测量结果表明，当Ｐｂ层厚度小于２纳米时，磁垂直各向异性场Ｈｕ随Ｐｂ层厚度的减小而增加。在磁光极克尔效应的测量中，发现在短波方向有磁光增强现象。

不同衬底沉积的Co/Pt多层膜及Co层厚度对其垂直磁各向异性的影响

采用直流磁控溅射方法,分别在100μm厚的聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰亚胺(PI)和Si衬底上沉积Ta(2 nm)/Pt(20 nm)[Co(t)/Pt(0.5 nm)]4/Pt(1.5 nm)的磁性多层膜。考察了Co层厚度及刚性Si、柔性PVDF和PI衬底对Co/Pt多层膜垂直磁各向异性的影响。结果表明,Co/Pt多层膜的垂直磁各向异性随着Co的厚度增大而减弱,表现为磁畴尺寸随Co的厚度增大而减小。通过对比生长在刚性衬底与柔性衬底上的Co/Pt多层膜的磁各向异性常数、矫顽力、磁畴尺寸,发现制备的柔性Co/Pt多层膜仍保持优异的垂直磁各向异性,其垂直磁各向异性与刚性衬底上生长的薄膜相近。

磁性多层膜CoFeB/Ni的垂直磁各向异性研究

应用磁控溅射法在玻璃基片上制备了以Pt为底层的CoFeB/Ni多层膜结构样品,通过测试样品的反常霍尔效应研究多层膜的垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA),对影响多层膜垂直磁各向异性的各因素进行了调制.实验结果表明,多层膜的底层厚度、周期层中各层的厚度及周期数对样品的反常霍尔效应和磁性有重要影响.通过对样品各参数的逐步调制,最终获得了具有良好PMA的CoFeB/Ni多层膜最佳样品Pt(4)/[CoFeB(0.4)/Ni(0.3)]_3/Pt(1.0).经测试计算,该样品的各向异性常数K_(eff)为2.2×10~6erg/cm^3(1 erg/cm^3=10^(-1)J/m^3),具有良好的PMA性能,样品总厚度为7.1 nm,完全满足制备垂直磁结构材料的厚度要求,可进一步研究其在器件中的集成与应用.

MgO/Pt界面对增强Co/Ni多层膜垂直磁各向异性及热稳定性的研究

采用直流磁控溅射法在玻璃基片上制备了Pt底层和MgO/Pt双底层的Co/Ni多层膜样品,通过反常霍尔效应研究了不同MgO厚度和退火温度对样品垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的影响.随着底层中MgO厚度的逐渐增加,样品的矫顽力也随之增强,霍尔电阻变化不大;对样品进行退火处理后发现,单纯Pt底层的Co/Ni多层膜随着退火温度的升高,霍尔电阻逐渐降低,矫顽力则迅速降低,热稳定性较差;而当MgO/Pt双底层的样品在200?C退火后矫顽力大幅增加,霍尔电阻略微有所减小,更高的退火温度使得Co和Ni合金化,导致多层膜的PMA特征减弱.

不同界面次序CoFeMnSi多层膜的磁各向异性

利用磁控溅射仪制备Ta作缓冲层、最上层Pd作保护层的Ta/Pd/CoFeMnSi/MgO(t_(MgO))/Pd多层膜以及仅界面次序不同的Ta/MgO(t_(MgO))/CoFeMnSi/Pd多层膜,其中,t MgO分别为1.0 nm、1.2 nm、1.4 nm、1.6 nm、1.8 nm、2.0 nm、2.2 nm和2.4 nm,在300℃真空条件下退火30 min,探究界面次序不同导致多层膜不同磁各向异性的物理机理。磁性测试结果表明,Ta/Pd/CoFeMnSi/MgO(t_(MgO))/Pd多层膜在t MgO为1.6~2.0 nm时显示较好的垂直磁各向异性(PMA),Ta/MgO(t_(MgO))/CoFeMnSi/Pd多层膜在MgO厚度测试范围内均显示面内磁各向异性(IMA)。分析界面处元素化学态得到Ta/MgO/CoFeMnSi/Pd结构多层膜不能实现PMA的原因包括:Ta层对O的抢夺导致Co、Fe与O的键合不足;CoFeMnSi中Si和Mn发生一定量的氧化,进一步使Co-O、Fe-O键合含量减少。

具有垂直磁各向异性的TbCo/Cr非晶磁化膜

采用不加偏压的磁控溅射方法,制备了具有垂直磁晶各向异性的TbCo/Cr非晶垂直磁化膜,并且就Cr底层对TbCo膜磁性能的影响进行了研究。研究发现TbCo磁性层的厚度以及Cr底层的存在都会影响TbCo薄膜磁晶各向异性能的大小。对于厚度为120 nm,并且带有180 nm厚度Cr底层的Tb31C69薄膜而言,其磁晶各向异性能高达4.57×106 erg·cm-3,而对于同样厚度的Tb31C69薄膜,当它没有带Cr底层时,其磁晶各向异性能只有3.24×106 erg·cm-3。扫描电镜的观测结果表明,带有Cr底层的TbCo薄膜具有柱状结构。正是TbCo薄膜内的柱状结构导致了其磁晶各向异性的增强。

具有垂直各向异性的Co/Pt多层膜中各Co层之间铁磁性耦合

使用磁控溅射法制备了一系列具有不同Pt中间层厚度的glass/NiO(1nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3/Pt(xnm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3样品并对Co层之间的铁磁性耦合强度进行了测量.整体磁滞回线和局部磁滞回线的测量结果表明,上下两层Co/Pt多层膜之间的铁磁性耦合强度随着Pt中间层厚度的增加单调减小,当Pt中间层厚度超过4nm时铁磁性耦合消失.除了上下两层Co/Pt多层膜之间通过Pt中间层产生的铁磁性耦合作用之外,它们之间也存在弱的次耦合作用,这导致底层出现宽的磁滞.

垂直磁各向异性自旋阀结构中磁性相图

通过线性展开包含自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程,并且使用稳定性分析的方法,建立了垂直磁各向异性自旋阀结构中的磁性相图。研究发现:通过调节外磁场强度的大小以及直流电流密度,可实现磁矩从稳定态到进动态之间的转化,以及在不同稳定态之间的翻转。

TbCo非晶薄膜垂直各向异性的磁偶极模型分析

根据稀土—过渡金属薄膜中原子磁矩的亚铁磁结构排列,建立TbCo非晶垂直磁化膜磁各向异性的磁偶极模型,依此计算TbCo非晶垂直磁化膜磁各向异性能Ku值随温度的变化.与实验测量结果比较,稀土原子、过渡金属原子以及稀土—过渡金属原子之间的磁偶极相互作用,只是TbCo薄膜存在垂直磁各向异性的次要部分.

CoFeB/MgO界面垂直磁各向异性的影响因素研究

回顾了近年来国际上关于提高CoFeB/MgO界面垂直磁各向异性的研究,从非磁/CoFeB/MgO多层膜结构(各层膜的厚度、堆积次序、周期数、铁磁/氧化物界面粗糙度和铁磁层,氧化物层及缓冲层的结晶状态)、成分(铁磁层的成分、缓冲层的材料、保护层的材料)及材料工艺(热处理温度、外加电场和外加应力)等方面考察了CoFeB/MgO异质结中界面垂直磁各向异性的影响因素。理解CoFeB/MgO界面垂直磁各向异性的影响因素有助于更好地理解非磁/CoFeB/MgO磁性多层膜中垂直磁各向异性来源的深层物理机制以及通过优化材料结构和工艺进而优化非磁/CoFeB/MgO磁性多层膜的垂直磁各向异性。

垂直磁各向异性Co/Pt多层膜在自旋电子学中的应用

随着电子学的发展,人们对电子元件的尺寸、功耗和信息处理速度等指标均提出了更高的要求。而材料是制备各种电子元器件的基础,其中Co/Pt多层膜以其良好的垂直磁各向异性等优点而备受人们的关注。到目前为止,人们已经成功把垂直磁各向异性Co/Pt多层膜应用到了磁记录、自旋阀、磁隧道结、反常霍尔元件、畴壁移动自旋器件、磁性斯格明子、自旋轨道矩元件等领域,并获得了优异的性能。

不同底层对CoFeB/Pt多层膜垂直磁各向异性的影响研究

采用磁控溅射方法在玻璃基片上制备了以Ru,Cu,Pt和Ta为底层的Co Fe B/Pt多层膜样品,研究了各底层对Co Fe B/Pt多层膜的反常霍尔效应的影响。发现Ru和Cu作为Co Fe B/Pt多层膜的底层在保持样品的垂直磁各向异性方面的作用远不如Pt和Ta底层,而且样品的霍尔电阻比Pt和Ta做底层要小。Ta作为Co Fe B/Pt多层膜的底层与Pt作为底层相比能够更好地和多层膜晶格匹配,并且在400℃退火后反常霍尔效应得到增强。霍尔电阻提高近80%,矫顽力达到了5.7×10~3 A·m^(–1),有望作为垂直自由层应用到磁隧道结构中。

形状各向异性对垂直磁隧道结磁化动态的影响

纳米磁性结构内磁矩翻转动态特性对于磁存储以及自旋电子学的研究具有十分重要的意义。基于Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程,研究了垂直磁各向异性(PMA)磁隧道结(MTJ)的自由层尺寸及磁矩倾角对磁矩翻转动力学特性的影响。具体讨论了宏自旋(Macrospin)模型中自由层的形状和尺寸对磁矩翻转特性的影响,给出了自由层磁矩翻转时间与阈值电流密度随自由层长度、厚度变化的特征。同时也分析了自由层磁矩倾角对磁矩翻转时间及阈值电流密度的影响。结果表明,在垂直MTJ结构中,小的磁矩倾角及合适的自由层长厚比可以大幅度地缩短磁矩翻转时间及减小所需阈值电流密度。

MgO/Pd底层对CoSiB/Pd多层膜垂直磁各向异性及热稳定性的影响

采用磁控溅射方法在玻璃基片上制备以MgO/Pd为底层的CoSiB/Pd多层膜样品,研究MgO底层厚度t对CoSiB/Pd多层膜垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的影响,分析具有MgO/Pd底层的多层膜的热稳定性。通过对样品的反常霍尔效应的测试分析发现,底层中引入MgO层能够提高其PMA性能,当t为3.5 nm时,样品的矩形度最好。对最佳样品MgO(3.5 nm)/Pd(3 nm)/[CoSiB(0.5 nm)/Pd(0.8 nm)]2/Ta(2 nm)的磁滞回线进行测试,其有效磁各向异性常数K eff达到2.0×10^5 J/m^3。热稳定性分析发现,当退火温度为200℃时,样品的K eff达到最大值2.6×10^5 J/m^3;当退火温度达到400℃时,样品仍能保持良好的PMA性能。

基于CoFe/Pd的自旋阀底电极中增强的垂直磁各向异性

采用磁控溅射方法制备了Pd(3nm)/CoFe(0.8nm)/纳米氧化层/CoFe(t nm)/Cu(4nm)/Pd(5nm)自旋阀底电极薄膜,并用振动样品磁强计对样品的磁性能进行了测量.研究结果表明:纳米氧化层的引入可以使电极薄膜的磁各向异性在退火后从面内转到垂直膜面方向,并且这种强烈的垂直磁各向异性在CoFe有效厚度为2nm时仍能保持.这种具有非多层膜结构、铁磁层较厚、热稳定性较高的底电极有利于基于自旋转移矩的垂直磁各向异性全金属赝自旋阀的发展.

CoSiB/Pt多层膜垂直磁各向异性及热稳定性

采用磁控溅射方法在单面附有300 nm SiO_(2)的单晶硅基片上制备了以Pt为底层的CoSiB/Pt多层膜样品。CoSiB/Pt层周期数确定为2,对样品底层厚度及周期层厚度进行调制,根据反常霍尔效应系统地研究了CoSiB/Pt多层膜垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)及薄膜的热稳定性。通过对这些参数的调节获得了具有良好垂直磁各向异性的最佳多层膜样品结构Pt(1)/[CoSiB(0.5)/Pt(1)]_(2),底层Pt和周期层中CoSiB,Pt的最佳厚度分别为1,0.5 nm和1 nm。对最佳样品进行XRD图谱分析,磁滞回线测量以及一系列退火处理。结果表明,样品具有明显的(111)_(CoPt)衍射峰,形成了较好的(111)织构,界面耦合增强,结晶度较好,计算出样品的有效磁各向异性常数K_(eff)达到5.11×10^(4)J·m^(-3),样品具有良好的PMA;当退火温度为200℃时,样品的CoPt(111)峰强度显著增强,界面形成了较强的(111)织构,K_(eff)达到最大值1.0×10^(5)J·m^(-3),当退火温度不超过400℃时,样品仍能保持良好的PMA。多层膜样品结构Pt(1)/[CoSiB(0.5)/Pt(1)]_(2)具有良好的PMA和热稳定性,且合适的退火温度有利于提高样品的PMA。

半导体所在垂直磁各向异性材料MnGa研究方面取得重要进展

最近，国际期刊《先进材料》报道了中科院半导体研究所超晶格室赵建华研究员和博士生朱礼军的最新研究制备出室温环境中同时具有超高垂直矫顽力、超强垂直磁各向异性和大磁能积MnGa单晶铁磁薄膜。

磁性薄膜的有效垂直磁各向异性场的全输运测量

采用磁控溅射方法,通过金属掩膜板制备了霍尔棒形状"CoFeB/MgO"体系薄膜样品,其中CoFeB层厚度为1.0nm、1.1nm、1.2nm,利用垂直温度梯度的反常能斯特效应和反常霍尔效应对其相关磁输运特性进行了测量,所得结果可分别等效为常规面内和垂直方向的磁滞回线,并由此获得了薄膜的有效垂直各向异性场.

TbCo薄膜磁各向异性的单离子模型分析

根据沉积过程中薄膜中稀土原子周围最近邻原子的各向异性排列,建立了TbCo非晶垂直磁化膜磁各向异性的单离子模型,并计算了TbCo非晶垂直磁化膜磁各向异性能Ku值,与实验测量结果符合很好.结果表明:膜内非S态Tb离子的非球对称电荷分布与局部晶场之间的相互作用,是TbCo薄膜存在垂直磁各向异性的主要原因.

垂直各向异性Ho_(3)Fe_(5)O_(12)薄膜的外延生长与其异质结构的自旋输运

垂直磁各向异性稀土-铁-石榴石纳米薄膜在自旋电子学中具有重要应用前景.本文使用溅射方法在(111)取向掺杂钇钪的钆镓石榴石(Gd_(0.63)Y_(2.37)Sc_(2)Ga_(3)O_(12),GYSGG)单晶衬底上外延生长了2—100 nm厚的钬铁石榴石(Ho_(3)Fe_(5)O_(12),HoIG)薄膜,并进一步在HoIG上沉积了3 nm Pt薄膜.测量了室温下HoIG的磁各向异性和HoIG/Pt异质结构的自旋相关输运性质.结果显示,厚度薄至2 nm的HoIG薄膜(小于2个单胞层)在室温仍具有铁磁性,且由于外延应变,2—60 nm厚HoIG薄膜都具有很强的垂直磁各向异性,有效垂直各向异性场最大达350 mT;异质结构样品表现出非常可观的反常霍尔效应和“自旋霍尔/各向异性”磁电阻效应,前者在HoIG厚度小于4 nm时开始缓慢下降,而后者当HoIG厚度小于7 nm时急剧减小,说明相较于反常霍尔效应,磁电阻效应对HoIG的体磁性相对更加敏感;此外,自旋相关热电压随HoIG厚度减薄在整个厚度范围以指数方式下降,说明遵从热激化磁振子运动规律的自旋塞贝克效应是其主要贡献者.本文结果表明HoIG纳米薄膜具有可调控的垂直磁各向异性,厚度大于4 nm的HoIG/Pt异质结构具有高效的自旋界面交换作用,是自旋电子学应用发展的一个重要候选材料.