CN101409134B - 一种可提高交换偏置场大小和增强交换偏置稳定性的合金薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种可提高交换偏置场大小和增强交换偏置稳定性的合金薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁电子学和磁性超薄膜材料技术领域，具体涉及一种可提高交换偏置场大小和增强交换偏置稳定性的合金薄膜及其制备方法。本方法不同于传统的单一反铁磁材料生长，或常规的原子替位的掺杂生长。使用MgO与FeMn共溅的方法，使反铁磁层形成非原子替位的颗粒膜。由此完成的交换偏置双层膜样品可显著提高交换偏置场并且减小磁锻炼效应，增强稳定性。这种独特的掺杂方法有助于进一步提高交换偏置场和增强交换偏置和自旋阀样品的热稳定性。

Description

一种可提高交换偏置场大小和增强交换偏置稳定性的合金薄膜及其制备方法 
技术领域
本发明属于磁电子学和磁性超薄膜材料技术领域，具体涉及一种可提高交换偏置场大小和增强交换偏置稳定性的合金薄膜及其制备方法。 
背景技术
交换偏置是一种存在于铁磁—反铁磁双层膜中的界面交换耦合现象。其在自旋电子学中有着非常广泛的应用，例如磁场传感器、自旋阀读出头、隧穿磁电阻读出头等等。在交换偏置中，铁磁层磁滞回线的中心偏离零场一定数值，并且矫顽力较单层铁磁层有所增大。进一步的测量表明，在交换偏置系统中，存在磁锻炼效应，系统在连续不断测量磁滞回线的过程中，交换偏置场和矫顽力都有所下降。通常用首次磁滞回线的交换偏置场与末次的交换偏置场的差值，同首次交换偏置场作比，所得的比值表征磁锻炼效应的大小。 
发明内容
本发明的目的在于提出一种可提高交换偏置场大小和增强交换偏置稳定性的合金薄膜及其制备方法，以本发明提出的制备方法提高了合金薄膜的交换偏置场，降低了磁锻炼效应。 
本发明所提出的合金薄膜，其结构为，在玻璃或单晶硅或碳化硅的衬底上，从下至上依次为铜膜Cu(3～9nm)，镍铁膜NiFe(3～9nm)，铁锰氧化镁膜FeMn(1-x)MgO(x)(2～15nm)和金膜Au(6～9nm)，其中x是氧化镁在铁锰氧化镁中的掺杂体积比为0.01～0.025。 
本发明所提出的合金薄膜的制备方法，具体步骤如下： 
将清洗好的玻璃或单晶硅或碳化硅衬底放进磁控溅射仪的溅射腔内，等溅射腔的本底真空度降到8.0×10-6Pa～3.0×10-5Pa时，通氩气，氩气压维持在0.4～0.5Pa；采用磁控溅射方式，首先直流溅射Cu靶，功率在15～30W，电流为0.05A～0.1A，将Cu膜的溅射速率控制在0.85～1.7 /s；然后溅射NiFe靶，功率在45～60W，电流为0.15～0.20A，将NiFe膜的溅射速率控制在1.2～2.24 
Figure DEST_PATH_GSB00000365315200012
/s；再将FeMn靶和MgO靶共溅射，其中FeMn靶是直流溅射，功率在30～60W，电流为0.1～0.2A，MgO靶是射频溅射，频率为50～150MHz，偏压为200～400V，FeMn的溅射速率为1.1～1.5 
Figure DEST_PATH_GSB00000365315200013
/s，MgO的速率为0.008～0.0154 
Figure DEST_PATH_GSB00000365315200014
/s，生长得到FeMn(1-x)MgO(x) 膜；最后再溅射覆盖层Au，功率为20～35W，电流为0.15～0.17A，Au的溅射速率为 
Figure S2008100409376D00021
静置半小时至一小时后开腔，即制得合金薄膜。 
本发明所用磁控溅射仪为沈阳中科仪生产的JGP560型多靶超高真空磁控溅射仪。 
本发明对传统的交换偏置制备方法进行了改进，异于原子替位的方法进行反铁磁掺杂。由于该方法对交换偏置的性能有所改善(交换偏置场提高10-40％)，降低磁锻炼效应(比原效应降低5-20％)，因此这一发明将对交换偏置材料制备具有重大的潜在应用价值。 
附图说明
图1玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品及玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(0.975)MgO(0.025)(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品。比较在同样反铁磁厚度下，两个不同掺杂成分的样品磁滞回线，进而比较交换偏置场大小。 
图2玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(1-x)MgO(x)(tnm)/Au(6nm)交换偏置样品t＝3，5，7。比较三种不同反铁磁厚度下的交换偏置场随MgO掺杂浓度的变化关系。 
图3玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(1-x)MgO(x)(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品。比较同一厚度反铁磁情况下，磁锻炼效应随MgO掺杂浓度的变化关系。 
具体实施方式
实施例1：玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品及玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(0.975)MgO(0.025)(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品 
用计算机控制的多功能磁控溅射设备分别制备玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品及玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(0.975)MgO(0.025)(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品，其中采用玻璃作为衬底。具体如下：将清洗好的衬底放进溅射腔内，抽真空，等腔的本底真空度降到2.0×10-5Pa时，通氩气，氩气压维持在0.4～0.5Pa；采用磁控溅射方式，首先直流溅射Cu靶，功率在30W，电流为0.167A，其溅射速率为 
Figure S2008100409376D00022
然后溅射NiFe靶，功率在60W，电流为0.196A，将NiFe膜的溅射速率控制在 
Figure S2008100409376D00023
再直流溅射FeMn靶，功率在60W，电流为0.122A，溅射速率为 
Figure S2008100409376D00024
得到FeMn膜；或FeMn、MgO靶共溅射，直流溅射FeMn靶，功率在60W，电流为0.122A，溅射速率为 
Figure S2008100409376D00025
射频溅射MgO靶，频率为90MHz，偏压为350V，MgO速率为 
Figure S2008100409376D00026
得到FeMn(0.975)MgO(0.025)膜；最后溅射覆盖层Au，功率为 30W，电流为0.165A，其中Au的溅射速率为 
Figure S2008100409376D00031
静置一小时后开腔，取出样品并测量。用振动样品磁强计测量的样品的磁滞回线，得到了交换偏置系统的交换偏置场和矫顽力数值。如图1所示，掺杂MgO体积比为0.025的样品，磁滞回线偏置明显增大。 
实施例2：玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(1-x)MgO(x)(tnm)/Au(6nm)交换偏置样品t＝3，5，7 
用计算机控制的多功能磁控溅射设备制备了衬底玻璃Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(1-x)Mg0(x) (tnm)/Au(6nm)(t＝3，5，7)交换偏置样品，其中采用玻璃作为衬底。具体如下：将清洗好的衬底放进溅射腔内，抽真空，等腔的本底真空度降到2.0×10-5Pa时，通氩气，氩气压维持在0.4～0.5Pa；采用磁控溅射方式，首先直流溅射Cu靶，功率在30W，电流为0.167A，其溅射速率为 
Figure S2008100409376D00032
然后溅射NiFe靶，功率在60W，电流为0.196A，将NiFe膜的溅射速率控制在 
Figure S2008100409376D00033
再直流溅射FeMn靶，功率在60W，电流为0.122A，溅射速率为 得到FeMn膜；或FeMn、MgO靶共溅射，直流溅射FeMn靶，功率在60W，电流为0.122A，溅射速率为 射频溅射MgO靶，频率为90MHz，偏压为350V，MgO速率在 之间变化，得到FeMn(1-x)MgO(x)膜；最后溅射覆盖层Au，功率为30W，电流为0.165A，其中Au的溅射速率为 
Figure S2008100409376D00037
静置一小时后开腔，取出样品并测量。用振动样品磁强计测量的样品的磁滞回线，得到了交换偏置系统的交换偏置场和矫顽力数值。如图2所示给出室温时样品的交换偏置场随MgO掺杂体积比的变化关系。在不同反铁磁厚度下，交换偏置场均有增加。最大增加值在MgO掺杂0.025体积比附近。增加比例大约在30％(7nm反铁磁)～69％(3nm反铁磁)。实施例3：玻璃/Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(1-x)MgO(x)(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品 
用计算机控制的多功能磁控溅射设备制备了衬底玻璃Cu(6nm)/NiFe(6nm)/FeMn(1-x)MgO(x)(3nm)/Au(6nm)交换偏置样品，其中采用玻璃作为衬底。具体如下：将清洗好的衬底放进溅射腔内，抽真空，等腔的本底真空度降到2.0×10-5Pa时，通氩气，氩气压维持在0.4～0.5Pa；采用磁控溅射方式，首先直流溅射Cu靶，功率在30W，电流为0.167A，其溅射速率为 然后溅射NiFe靶，功率在60W，电流为0.196A，将NiFe膜的溅射速率控制在 再直流溅射FeMn靶，功率在60W，电流为0.122A，溅射速率为 
Figure S2008100409376D000310
得到FeMn膜；或FeMn、MgO靶共溅射，直流溅射FeMn靶，功率在60W，电流为0.122A，溅射速率为 
Figure S2008100409376D000311
射频溅射MgO靶，频率为90MHz，偏压为350V，MgO速率在 
Figure S2008100409376D000312
之间变化，得到FeMn(1-x)MgO(x)膜；最后溅射覆盖层Au，功率为30W，电流为0.165A，其中Au的溅射速率为 
Figure S2008100409376D000313
静置一小时后开腔，取出样品并测量。用振动样品磁强计测量的样品的 磁滞回线，得到了交换偏置系统的磁锻炼效应。如图三所示给出室温时样品磁锻炼效应随MgO掺杂体积比的关系。通过掺杂使得样品的磁锻炼效应降低，最大降低值在MgO掺杂0.025体积比附近，比无掺杂降低了40％。 

Claims (2)

1.一种可提高交换偏置场大小和增强交换偏置稳定性的合金薄膜，其特征在于，其结构为，在玻璃或单晶硅或碳化硅的衬底上，从下至上依次为3～9nm的铜膜，3～9nm的镍铁膜，2～15nm铁锰氧化镁膜和6～9nm的金膜，其中，铁锰氧化镁膜的成分为FeMn(1-x)MgO(x)，x是氧化镁在铁锰氧化镁中的掺杂体积比为0.01～0.025。
2.如权利要求1所述的合金薄膜的制备方法，具体步骤如下：
将清洗好的玻璃或单晶硅或碳化硅衬底放进磁控溅射仪的溅射腔内，等溅射腔的本底真空度降到8.0×10-6Pa～3.0×10-5Pa时，通氩气，氩气压维持在0.4～0.5Pa；采用磁控溅射方式，首先直流溅射Cu靶，功率在15～30W，电流为0.05A～0.1A，将Cu膜的溅射速率控制在0.85～1.7/s；然后溅射NiFe靶，功率在45～60W，电流为0.15～0.20A，将NiFe膜的溅射速率控制在1.2～2.24
Figure FSB00000365315100012
/s；再将FeMn靶和MgO靶共溅射，其中FeMn靶是直流溅射，功率在30～60W，电流为0.1～0.2A，MgO靶是射频溅射，频率为50～150MHz，偏压为200～400V，FeMn的溅射速率为1.1～1.5
Figure FSB00000365315100013
/s，MgO的速率为0.008～0.0154/s，生长得到FeMn(1-x)MgO(x)膜；最后再溅射覆盖层Au，功率为20～35W，电流为0.15～0.17A，Au的溅射速率为1.7～2.2/s；静置半小时至一小时后开腔，即制得合金薄膜。
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