CN101840993A - 一种具有交换偏置效应的多层膜结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁电互控非易失存储技术领域，提供了一种新型的具有交换偏置效应的半金属/多铁材料多层膜结构，其具有大的交换偏置场，小的矫顽力，高的截止温度和优良的稳定性能。从底层往上第一层为多铁薄膜层，厚度约为20～200纳米；从底层往上第二层为半金属薄膜层，包括Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2(Cr1-xFex)Al[0＜x＜1]、Co2Fe(Al1-xSix)[0＜x＜1]、Co2(Fe1-xMnx)Si[0＜x＜1]等Co占据A位置的A2BC型full-Heusler合金材料，厚度约为2～20纳米；从底层往上第三层为金属钽保护层，厚度约为3～10纳米。
Description
技术领域
本发明属于磁电互控非易失存储技术领域，提供了一种新型的具有交换偏置效应的半金属/多铁材料多层膜结构，其具有大的交换偏置场，小的矫顽力，高的截止温度和优良的稳定性能。
背景技术
自旋电子器件主要包括自旋阀(Spin Valve，SPV)结构(铁磁层/非磁导体/铁磁层/反铁磁层)和磁隧道结(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)结构(铁磁层/氧化物/铁磁层/反铁磁层)，目前已经被广泛应用于磁性读出头、磁随机存储器和磁敏传感器等领域。自旋电子器件中，铁磁/反铁磁(FM/AFM)交换偏置效应是其重要组成部分，FM/AFM交换偏置可以提高高密度磁记录读出头的灵敏度，使得磁记录存储密度得到了飞速的发展，所以交换偏置效应对于满足未来器件的实际应用具有重要的作用。
多铁性材料(mutliferroics)指同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中两者或两者以上性能的新型多功能材料，提供了同时可以利用电极化和磁化来编码储存信息。铁磁材料(ferromagnetics)具有自发磁矩，可以随外加磁场变化而进行翻转实现信息存储。但是，随着科学技术的进步对器件小型化的要求越来越高，这就需要研发同时具有两种或两种以上功能的新材料，以研制能同时实现多种功能的新型器件。目前，人们已经对磁电耦合效应进行了大量的研究，研究发现利用反铁磁对铁磁的磁钉扎来实现反铁磁多铁性材料磁矩改变而导致软铁磁层磁化方向改变，可以实现信息的读取[R.Ramesh，et al，Nat.Mater.，6：21-29(2007)]。另外，采用多铁性材料实现了电场对磁矩方向的调控[V.Lankhim，et al，Phys.Rev.Lett，97：227201(2006)]以及利用磁电阻效应制备了多铁性的磁记录读头[V.Marian，et al.J.Phys.D：Appl.Phys.，40：5027-503(2007)]。理论模型也证明利用两个电极之间的自旋过滤效应和电荷极化效应制备了多铁性隧道结，并且预测这种多铁性隧道结能够产生八区域逻辑态，可实现信息的存储[F.Yang，et al，J.Appl.Phys.，102：044504(2007)]。
这些研究成果为新型的磁电互控非易失存储介质的实现奠定了基础，但是，为了提高其读写过程的灵敏性，使超高存储密度的磁电互控非易失存储磁性介质得到飞速发展，必须制备具有相应材料、性能优异的交换偏置效应的多层膜结构。
多铁材料同时具有铁磁性和铁电性以及两种性所产生的磁电耦合效应，可实现磁性和铁电性的互相调控，从而可以制备出磁记录读取速度快、铁电记录写入快的超高速率读写过程的新型磁存储介质[G.A.Prinz，et al，Science，282：1660-1661(1998)；S.A.Wolf，et al，Science，294：1488-1490(2001)；S.W.Cheong，et al，Nat.Mater.，6：13-20(2007)；Y.Tokura，et al，J Magn.Magn.Mater，310：1145-1150(2007)；W.Eerenstein，et al，Nature，422：759-765(2006)]。多铁性材料有ABO3型单相多铁性材料和铁电-铁磁复合体系材料：BiFeO3、GaFeO3、BiCrO3、TbMnO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3、HoMn2O5、YMn2O5、RMn2O5(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)、RMnO3(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)等单相多铁材料，Ca、La、Mn、Mo、Y等掺杂BiFeO3的单相多铁材料和BiFeO3/CoFe2O4、BaTiO3/CoFe2O4、BaTiO3/NiFe2O4等磁电复合材料。
半金属材料是一种具有高自旋极化率的磁性材料，其理论自旋极化率为100％，其中Co基半金属Full-Heusler合金材料具有高的居里温度和自旋极化率、更低的矫顽力和饱和磁化强度，其磁学性质适用于SPV和MTJ等自旋电子器件，并成功获得高磁电阻效应的器件。因此将半金属材料和多铁材料制备成具有新型交换偏置效应的多层膜结构，可以提高磁电互控非易失存储介质的灵敏性，并最终实现超高磁存储密度的超高速率读写过程的新型磁存储介质。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种新型的具有交换偏置效应的半金属/多铁材料的多层膜结构。多铁性材料具有反铁磁性，而半金属材料具有高居里温度、高自旋极化率(理论上预测为100％)、低饱和磁化强度和低矫顽力，所以利用多铁材料的反铁磁性和半金属铁材料的磁性在其界面形成铁磁/反铁磁的耦合作用，产生交换偏置效应，其具有大的交换偏置场，小的矫顽力，高的截止温度和优良的稳定性能。这种新型的多层膜结构将广泛应用在磁电互控的自旋阀和磁性隧道结等自旋电子器件，它将通过电流和磁场对自旋阀和磁性隧道结进行调控，实现磁电互控非易失性的高密度磁性存储器件。
本发明的一种具有交换偏置效应的多层膜结构，具体结构如下：
从底层(不是特殊材质，是所用基片层)往上第一层为多铁薄膜层，所述多铁薄膜层为单相多铁材料，或Ca、La、Mn、Mo、Y等掺杂BiFeO3、BiCrO3、TbMnO3、BiMnO3和YMnO3等单相多铁材料，或BiFeO3/CoFe2O4、BaTiO3/CoFe2O4、BaTiO3/NiFe2O4等磁电复合材料，厚度约为20～200纳米；
从底层往上第二层为半金属薄膜层，包括Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2(Cr1-xFex)Al[0＜x＜1]、Co2Fe(Al1-xSix)[0＜x＜1]、Co2(Fe1-xMnx)Si[0＜x＜1]等Co占据A位置的A2BC型full-Heusler合金材料，厚度约为2～20纳米；
从底层往上第三层为金属钽保护层，厚度约为3～10纳米。
进一步的，上述单相多铁材料可以是BiFeO3、GaFeO3、BiCrO3、TbMnO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3、HoMn2O5、YMn2O5、RMn2O5(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)、RMnO3(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)等单相多铁材料。
本发明一种具有交换偏置效应的多层膜结构制作方法如下：
1、制作多铁性薄膜层：沉积室本底真空度为1×10-6Pa，溅射时氧气压为0.5Pa～2.5Pa，沉积温度为300℃～800℃，沉积时能量为100mJ～400mJ，脉冲数为400～3000脉冲，基底为SrTiO3(100)、Pt/TiO2/Si(111)等，退火温度为300℃～800℃，氧压为100Pa～300Pa，制备的多铁薄膜厚度为20nm～200nm；
2、利用磁控溅射仪或分子束外延的方法制作半金属薄膜层和钽保护层，溅射室本底真空度为2×10-5Pa，溅射时氩气压为0.2Pa～1.0Pa，基片用循环水冷却。
本发明的优点在于：
新型的具有交换偏置效应的半金属/多铁材料多层膜结构将应用于磁电互控的自旋阀和磁性隧道结等自旋电子器件中，使具有超高速率读写过程的新型存储介质满足尺寸快速缩减和多功能化的要求。同时，多铁性材料提供了同时利用电极化和磁化来编码储存信息的可能性，而半金属材料具有高居里温度，高自旋极化率(理论上100％)，低饱和磁化强度和低矫顽力，由这两种材料制备的多层膜结构将得到性能更加优异的交换偏置效应，这将使磁电互控的自旋阀和磁性隧道结等自旋电子器件的磁电阻率和磁电互控性能提高，进而使超高存储密度的磁电互控非易失存储磁性介质成为可能。
本发明的新型具有交换偏置效应的半金属/多铁材料多层膜结构通过常规的薄膜沉积设备(例如磁控溅射、分子束外延生长和脉冲激光沉积等技术)制备而成。
附图说明
图1所示的是本发明的具体结构示意图。
图2所示的本发明的多层膜结构交换偏置效应随外磁场变化示意图。
具体实施方式
如图1所示，申请人根据上述结构，分别利用脉冲激光沉积方法制备了多铁性薄膜层：其特点是以多铁薄膜[BiFeO3、GaFeO3、BiCrO3、TbMnO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3、HoMn2O5、YMn2O5、RMn2O5(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)、RMnO3(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)等单相多铁材料，Ca、La、Mn、Mo、Y等掺杂BiFeO3的单相多铁材料和BiFeO3/CoFe2O4、BaTiO3/CoFe2O4、BaTiO3/NiFe2O4等磁电复合材料]为反铁磁层。
上述多铁性薄膜层的详细制备工艺为：沉积室本底真空度为1×10-6Pa，溅射时氧气压为0.5Pa～2.5Pa，沉积温度为300℃～800℃，沉积时能量为100mJ～400mJ，脉冲数为400～3000脉冲，基底为SrTiO3(100)、Pt/TiO2/Si(111)等，退火温度为300℃～800℃，氧压为100Pa～300Pa，制备的多铁薄膜厚度为20nm～200nm。
利用磁控溅射仪或分子束外延的方法制备了半金属薄膜和Ta保护层：其特点是以半金属材料[Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2(Cr1-xFex)Al[0＜x＜1]、Co2Fe(Al1-xSix)[0＜x＜1]、Co2(Fe1-xMnx)Si[0＜x＜1]等Co占据A位置的A2BC型full-Heusler合金材料]和金属钽(Ta)为半金属磁性层和Ta保护层。
上述薄膜层的详细制备工艺为：溅射室本底真空度为2×10-5Pa，溅射时氩气压为0.2Pa～1.0Pa Pa，基片用循环水冷却。
通过测试，上述半金属/多铁材料多层膜结构完全实现了铁磁/反铁磁界面的交换偏置效应，半金属/多铁材料多层膜结构的交换偏置效应随外加磁场方向的变化而产生相同取向的变化，如图2所示，并且得到了大的交换场(HB//＝70Oe～300Oe和HB-//＝70Oe～300Oe和HB⊥＝100～1000Oe)，小的矫顽力(HC//＝10Oe～40Oe，HC//＝10Oe～40Oe，和HC⊥＝50Oe～100Oe)以及非常优异的稳定性能。这种具有交换偏置效应的性能优异的多层膜结构将广泛应用在磁电互控的自旋阀和磁性隧道结等自旋电子器件，提高超高速率读写过程的磁电互控非易失存储磁性介质的灵敏度，使超高存储密度的磁电互控非易失存储磁性介质得到飞速发展，满足未来器件的小型化和多功能性。
Claims (3)
1.一种具有交换偏置效应的多层膜结构，其特征在于，所述具体结构如下：
从底层往上第一层为多铁薄膜层，所述多铁薄膜层为单相多铁材料，或Ca、La、Mn、Mo、Y等掺杂BiFeO3、BiCrO3、TbMnO3、BiMnO3和YMnO3等单相多铁材料，或BiFeO3/CoFe2O4、BaTiO3/CoFe2O4、BaTiO3/NiFe2O4等磁电复合材料，厚度约为20～200纳米；
从底层往上第二层为半金属薄膜层，包括Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2(Cr1-xFex)Al[0＜x＜1]、Co2Fe(Al1-xSix)[0＜x＜1]、Co2(Fe1-xMnx)Si[0＜x＜1]等Co占据A位置的A2BC型full-Heusler合金材料，厚度约为2～20纳米；
从底层往上第三层为金属钽保护层，厚度约为3～10纳米。
2.根据权利要求1所述的一种具有交换偏置效应的多层膜结构，其特征在于：所述单相多铁材料可以是BiFeO3、GaFeO3、BiCrO3、TbMnO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3、HoMn2O5、YMn2O5、RMn2O5(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)、RMnO3(R＝Ho，Yb，Sc，Y，Ga，Dy，Er)等单相多铁材料。
3.制作权利要求1所述的多层膜结构的方法，所述方法如下：
3.1制作多铁性薄膜层：沉积室本底真空度为1×10-6Pa，溅射时氧气压为0.5Pa～2.5Pa，沉积温度为300℃～800℃，沉积时能量为100mJ～400mJ，脉冲数为400～3000脉冲，基底为SrTiO3(100)、Pt/TiO2/Si(111)等，退火温度为300℃～800℃，氧压为100Pa～300Pa，制备的多铁薄膜厚度为20nm～200nm；
3.2利用磁控溅射仪或分子束外延的方法制作半金属薄膜层和钽保护层，溅射室本底真空度为2×10-5Pa，溅射时氩气压为0.2Pa～1.0Pa，基片用循环水冷却。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20100922 Assignee: JIANGSU OLIVE SENSORS HIGH-TECH Co.,Ltd. Assignor: University of Science and Technology Beijing Contract record no.: 2015320000241 Denomination of invention: Multilayer film structure having exchange bias effect and manufacturing method thereof Granted publication date: 20120215 License type: Exclusive License Record date: 20150416 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120215 |