CN101853920A - 一种双交换偏置场型自旋阀的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双交换偏置场型自旋阀的制备方法，属于磁性材料与元器件技术领域。首先采用薄膜沉积工艺并在外磁场作用下，制备双交换偏置场型自旋阀，其中交换偏置场大小不同，方向相同；然后通过振动样品磁场强度测试计测两个交换偏置场的大小；最后施加介于两个交换偏置场之间大小、方向相反的外磁场，同时在形成较小交换偏置场的铁磁层膜面沿交换偏置场方向施加脉冲电流；根据所施加的外磁场H和脉冲电流的大小的不同，即可改较小的偏置场的大小和方向，从而获得不同的双交换偏置场型自旋阀。本发明利用自旋转移效应来调制双交换偏置场型自旋阀中较小的交换偏置场的大小和方向，简化了制备步骤，增加了该种双交换偏置自旋阀应用的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁记录技术，具体涉及一种双交换偏置场型自旋阀的制备方法。
背景技术
巨磁电阻(GMR)效应是指在磁性多层膜材料中利用外加磁场导致的电阻变化，其在传感器、磁性随机存储器等方面都具有广泛的应用背景。自旋阀是目前实现巨磁电阻效应的最重要结构，由于该结构具有饱和场低和灵敏度高的特点，使基于巨磁电阻效应的传感器、超高密度存储技术得到了飞跃的发展。
自旋阀的基本结构为：自由层(铁磁层F1)/隔离层(非磁性层)/钉扎层(铁磁层F2)/偏置层(反铁磁层)，其中共包括一层反铁磁层及两层磁性层，如图1所示。而作为自旋阀基本结构扩展的双交换偏置场型自旋阀，由于具有比基本自旋阀结构更好的场响应、更低的巴克豪森噪声及可调制的场应用范围，因而也有较大的应用空间。其基本结构为：反铁磁层AFM1/铁磁层F1/隔离层/铁磁层F2/反铁磁层AFM2，如图2所示。
为实现双交换偏置场型自旋阀对场应用范围的调制，在该结构自旋阀制备过程中需要将反铁磁层AFM1/铁磁层F1的交换偏置场Hex1与铁磁层F2/反铁磁层AFM2的交换偏置场Hex2设置于相反的方向，且为了使该自旋阀能工作在不同的场应用范围，Hex1及Hex2的大小需根据所需调制的场范围进行设置。
传统双交换偏置场型自旋阀中实现Hex1和Hex2方向相反有两种方法：一种是在双交换偏置自旋阀多层膜镀制完成后，将其置于外加磁场中退火设定Hex1，然后改变退火的外磁场方向，使该磁场方向与第一次退火时磁场方向正好相反，设定Hex2；第二种则是在双交换偏置自旋阀制备过程中，在一方向的外磁场下沉积反铁磁层AFM1/铁磁层F1，然后改变外磁场方向，使其与第一次的外磁场方向相反，沉积铁磁层F2/反铁磁层AFM2，这样可以设置交换偏置场正好相反的Hex1和Hex2。
采用外磁场下沉积方法制备双交换偏置场型自旋阀虽然可以方便地获得方向相反的双交换偏置场Hex1和Hex2，但其工艺较为复杂、成本较高，且对于Hex1、Hex2场大小的设置则只有通过控制铁磁层F1与铁磁层F2的厚度来实现，大大限制了双交换偏置场自旋阀应用的灵活性。采用外加磁场下退火处理制备双交换偏置场型自旋阀时，虽可获得较大的交换偏置场，但由于高温退火时温度的影响，会造成自旋阀多层膜层间互扩散严重，而劣化其巨磁电阻性能。因此，寻找室温下可按需设定自由设定交换偏置场的方向和大小的双交换偏置场型自旋阀的制备方法，将有助于磁信息存储等领域的发展。
发明内容
本发明提供一种双交换偏置场型自旋阀的制备方法，该方法工艺简单、易控，无需高温退火处理，在室温下就能按需求自由设定交换偏置场的方向和大小。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种双交换偏置场型自旋阀的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场作用下，制备双交换偏置场型自旋阀。
所述双交换偏置场型自旋阀结构如图2所示，由基片往上，依次是缓冲层、反铁磁层AFM1、铁磁层F1、隔离层、铁磁层F2、反铁磁层AFM2和覆盖层。基片可选用Si基片或玻璃基片，缓冲层材料为Ta，反铁磁层AFM1和反铁磁层AFM2材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO，铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，隔离层材料为Cu，覆盖层材料为Ta。
所述外磁场为单一方向、大小恒定的磁场，其方向沿膜面且平行于双交换偏置自旋阀单元长边，大小在50Oe～300Oe之间。
沉积铁磁层F1和F2时，铁磁层F1的沉积厚度与铁磁层F2的沉积厚度应不相同，以使得反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1与铁磁层F2和反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的大小不相同(交换偏置场的大小同铁磁层厚度呈反比)。
只需特别指出的是，由于在薄膜沉积过程中不需改变外磁场方向，此时获得的反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1与铁磁层F2/反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的方向是相同的。
步骤2：采用振动样品磁场强度测试计测量步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀中，反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1的大小，以及铁磁层F2和反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的大小。设其中较小的偏置场为H1，较大的偏置场为H2。
步骤3：对步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀施加外磁场作用，所述外磁场的大小大于H1且小于H2、方向与步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀的交换偏置场方向相反；同时在步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀中形成较小交换偏置场H1的铁磁层膜面沿交换偏置场方向施加脉冲电流，所述脉冲电流的电流密度为105A/cm2～106A/cm2；根据所施加的外磁场H和脉冲电流的大小的不同，即可改较小的偏置场H1的大小和方向，从而获得不同的双交换偏置场型自旋阀。
本发明的基本原理可以描述如下：
由于外磁场H小于H2，形成较大交换偏置场的铁磁层的磁矩不会受该外场的影响仍然保持在原交换偏置场的方向；但是由于外磁场H大于H1，形成较小交换偏置场的铁磁层的磁矩将取向外磁场方向。脉冲电流的作用将使H1减小，而H2不变，且H1随脉冲电流的增大而减小。在外磁场合脉冲电流的同时作用下，H1的大小和方向都将发生改变。在选定的外磁场下，当脉冲电流足够大时即可使H1方向完全改变，变得与外场方向一致。因此，本发明采用外磁场和脉冲电流双重作用，可简化双交换偏置场型自旋阀制备过程，方便地对双交换偏置场自旋阀的交换偏置场大小和方向进行设定。
当对铁磁层和反铁磁双层膜在外磁场下沿反铁磁层膜面施加脉冲电流时，由于流经反铁磁电流为自旋极化电流，当它流经铁磁层和反铁磁层的交界面时，自旋极化电子所携带的自旋角动量将转移给铁磁层和反铁磁层交界面的净磁矩，使交界面的净磁矩遭受一力矩作用而改变取向，且该力矩的作用将使净磁矩的方向趋于自旋极化电子自旋的取向。由于铁磁层和反铁磁层交界面的净磁矩与交换偏置场的大小成正比，而自旋极化电流通过自旋角动量的改变来改变铁磁层和反铁磁层交界面的净磁矩，进而改变铁磁和反铁磁层之间的交换偏置场方向和大小。电流对铁磁层和反铁磁层之间的交换偏置场的改变规则如下：当沿与铁磁层和反铁磁层之间的交换偏置场相反方向施加一外磁场，且该外磁场大于此时铁磁层和反铁磁层之间的交换偏置场时，铁磁层磁矩将沿外磁场方向取向，此时通过铁磁层到达铁磁层和反铁磁层交界面的自旋电子极化取向将也沿外磁场方向，这样就会对铁磁层和反铁磁层交界面净磁矩产生如图3所示的力矩，使交界面磁矩发生转动，此时沿初始交换偏置场方向的净磁矩将减少，因而交换偏置场减小。由于自旋极化电子对交界面磁矩产生的力矩大小同电流密度呈正比，电流密度越大，交界面磁矩发生的转动越大，沿初始交换偏置场方向的净磁矩越小，交换偏置场越小。当电流密度足够大时，就会使交界面磁矩完全翻转，如图4所示，此时交换偏置场方向相对于初始的交换偏置场方向发生了完全翻转。
本发明的有益效果是：
本发明利用自旋转移效应改变双交换偏置场自旋阀中较小的交换偏置场的大小和方向，实现对双交换偏置自旋阀应用场范围的调制，而无需在制备过程中改变沉积磁场方向或沉积完成后在外磁场中退火实现对应用场的设定，大大简化了制备步骤。另外，由于设定的交换偏置场大小同脉冲电流大小相关，因而可灵活调制场的范围，而不是设定后就不能更改，增加了该种双交换偏置自旋阀应用的灵活性。
附图说明
图1是自旋阀基本结构示意图。
图2是双交换偏置自旋阀结构示意图。
图3是铁磁层和反铁磁层交界面净磁矩在自旋转矩的作用下减小示意图。
图4是增大脉冲电流下，铁磁层和反铁磁层交界面净磁矩在自旋转矩的作用下翻转示意图。
具体实施方式
一种双交换偏置场型自旋阀的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场作用下，制备双交换偏置场型自旋阀。
所述双交换偏置场型自旋阀结构如图2所示，由基片往上，依次是缓冲层、反铁磁层AFM1、铁磁层F1、隔离层、铁磁层F2、反铁磁层AFM2和覆盖层。基片可选用Si基片或玻璃基片，缓冲层材料为Ta，反铁磁层AFM1和反铁磁层AFM2材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO，铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，隔离层材料为Cu，覆盖层材料为Ta。
所述外磁场为单一方向、大小恒定的磁场，其方向沿膜面且平行于双交换偏置自旋阀单元长边，大小在50Oe～300Oe之间。
沉积铁磁层F1和F2时，铁磁层F1的沉积厚度与铁磁层F2的沉积厚度应不相同，以使得反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1与铁磁层F2和反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的大小不相同(交换偏置场的大小同铁磁层厚度呈反比)。
只需特别指出的是，由于在薄膜沉积过程中不需改变外磁场方向，此时获得的反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1与铁磁层F2/反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的方向是相同的。
步骤2：采用振动样品磁场强度测试计测量步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀中，反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1的大小，以及铁磁层F2和反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的大小。设其中较小的偏置场为H1，较大的偏置场为H2。
步骤3：对步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀施加外磁场作用，所述外磁场的大小大于H1且小于H2、方向与步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀的交换偏置场方向相反；同时在步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀中形成较小交换偏置场H1的铁磁层膜面沿交换偏置场方向施加脉冲电流，所述脉冲电流的电流密度为105A/cm2～106A/cm2；根据所施加的外磁场H和脉冲电流的大小的不同，即可改较小的偏置场H1的大小和方向，从而获得不同的双交换偏置场型自旋阀。
Claims (3)
1.一种双交换偏置场型自旋阀的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场作用下，制备双交换偏置场型自旋阀；
所述双交换偏置场型自旋阀结构由基片往上，依次是缓冲层、反铁磁层AFM1、铁磁层F1、隔离层、铁磁层F2、反铁磁层AFM2和覆盖层；
所述外磁场为单一方向、大小恒定的磁场，其方向沿膜面且平行于双交换偏置自旋阀单元长边，大小在50Oe～300Oe之间；
沉积铁磁层F1和F2时，铁磁层F1的沉积厚度与铁磁层F2的沉积厚度应不相同，以使得反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1与铁磁层F2和反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的大小不相同；
步骤2：采用振动样品磁场强度测试计测量步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀中，反铁磁层AFM1和铁磁层F1之间的交换偏置场Hex1的大小，以及铁磁层F2和反铁磁层AFM2之间的交换偏置场Hex2的大小；设其中较小的偏置场为H1，较大的偏置场为H2；
步骤3：对步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀施加外磁场作用，所述外磁场的大小大于H1且小于H2、方向与步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀的交换偏置场方向相反；同时在步骤1所得的双交换偏置场型自旋阀中形成较小交换偏置场H1的铁磁层膜面沿交换偏置场方向施加脉冲电流；根据所施加的外磁场H和脉冲电流的大小的不同，即可改较小的偏置场H1的大小和方向，从而获得不同的双交换偏置场型自旋阀。
2.根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀的制备方法，其特征在于，步骤3中所述脉冲电流的电流密度为105A/cm2～106A/cm2。
3.根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀的制备方法，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀的基片选用Si基片或玻璃基片，缓冲层材料为Ta，反铁磁层AFM1和反铁磁层AFM2材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO，铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或NiFeCo合金，隔离层材料为Cu，覆盖层材料为Ta。
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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 | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110824 Termination date: 20130414 |