CN102496449A - 一种铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法 - Google Patents

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唐晓莉
苏桦
张怀武
荆玉兰
钟智勇
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Abstract

一种铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法，属于磁性材料与元器件领域。首先外磁场H1作用下沉积铁磁/反铁磁双层膜(钉扎场的方向与外磁场H1方向一致，定义为钉扎场初始方向)；然后在所得铁磁/反铁磁双层膜中以钉扎场初始方向为起点，沿角度θ方向施加大于钉扎场Hex与铁磁层矫顽力之和的外磁场H2，同时沿外磁场H2方向施加一电流密度大于105A/cm2的脉冲电流，即可产生沿角度θ方向的新钉扎场。本发明利用自旋转矩效应调制铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向，大大简化了制备步骤，降低了对专用设备的依赖；另外，在钉扎场方向设定完成后，可通过重新设置外磁场H2的方向在电流脉冲作用下重新调制该双层膜的钉扎场方向，增加了应用的灵活性。

Description

一种铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，具体涉及铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法。
背景技术
铁磁(FM)/反铁磁(AFM)双层薄膜在外磁场中从高于反铁磁材料奈尔温度冷却到室温，或者在磁场下沉积后，铁磁层的磁滞回线将沿磁场方向偏离原点，磁滞回线偏离原点的量被称为钉扎场，而钉扎场的方向平行于冷却过程或沉积过程中的外磁场方向。由于FM/AFM双层膜中的这种特殊性能，使其被应用到了磁电阻传感器、磁性随机存储器等基于自旋阀(其基本结构为：自由层(铁磁层FM1)/隔离层(非磁性层金属层)/被钉扎层(铁磁层FM2)/偏置层(反铁磁层AFM))或隧道结(其基本结构为：自由层(铁磁层FM1)/隧穿层(超薄氧化物层)/被钉扎层(铁磁层FM2)/偏置层(反铁磁层AFM))典型结构的自旋电子器件中。由于在自旋阀或隧道结实际应用过程中，特别是在其作为传感器应用时，其传感性能决定于铁磁层FM2与铁磁层FM1磁矩的相对取向。如在自旋阀或隧道结作为线性传感器时，需要铁磁层FM2的磁矩与铁磁层FM1的磁矩呈90°取向，而在某些新型传感器构建中需要铁磁层FM2的磁矩与铁磁层FM1的磁矩呈所需要的夹角。
由于铁磁层FM1的磁矩取向由该层材料的材料属性、形状各向异性等所决定，因而在制备完成后不易调整，而铁磁层FM2的磁矩取向与钉扎场方向一致，因而通常通过调制钉扎场方向进行铁磁层FM2与铁磁层FM1磁矩取向的调整。目前对于铁磁层FM2钉扎场方向的调整一般采用以下两种方式进行：一是在自旋阀或隧道结多层薄膜沉积过程中，加上一确定方向的沉积磁场，先沿沉积磁场方向诱导铁磁层FM1的磁矩取向，这样在多层膜沉积完成后铁磁层FM1及铁磁层FM2的磁矩将处于平行的取向，而后在退火设备中将多层膜加热到反铁磁材料奈尔温度以上，在冷却过程中沿所需角度方向加一外磁场，重新设置铁磁层FM2的钉扎场方向，以达到调制铁磁层FM1与铁磁层FM2间磁矩角度的目的；第二种方法则是在自旋阀或隧道结多层薄膜沉积过程中按两步沉积法进行，首先在铁磁层FM1沉积过程中先加上一确定方向的沉积磁场，用于诱导其磁矩取向，在铁磁层FM1沉积完成铁磁层FM2沉积开始前旋转沉积磁场取向到需要角度，用于设定铁磁层FM2的交换偏置场(钉扎场)方向。但采用方法一进行两层磁性层角度设置时需要额外的退火过程，且在退火过程中容易造成自旋阀或隧道结层间扩散严重而劣化其性能；而采用方法二由于需要按要求调整沉积磁场方向，因而磁场下沉积部分系统需专门设计，费用高，且在铁磁层FM1与FM2角度设置后，如还需进行角度调整则无法完成。由于在自旋阀或隧道结典型结构中，自由层(铁磁层FM1)的磁矩取向与薄膜沉积过程中的磁场方向一致，因而只要实现铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制，即可使铁磁层FM1与铁磁层FM2的磁矩呈所需要的夹角。因此，如能按需要调制铁磁/反铁磁双层膜钉扎场的方向，将大大简化该类器件的制备步骤和降低生产过程中对设备的依赖性。
发明内容
本发明提供一种铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法，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调制钉扎场场的方向以满足应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法，包括以下步骤：
步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场H1作用下，制备铁磁(FM)/反铁磁(AFM)双层膜。
所述铁磁/反铁磁双层膜中，铁磁层可选择Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，反铁磁层可选用FeMn、NiMn、IrMn或PtMn合金。
所述外磁场H1为单一方向、大小恒定的磁场，其方向沿膜面、大小在50Oe～300Oe之间。
只需特别指出的是，步骤1制备完成的铁磁/反铁磁双层膜，其钉扎场Hex的方向与外磁场H1方向一致，并且定义该方向为钉扎场Hex的初始方向。
步骤2：在步骤1所得的铁磁/反铁磁双层膜中以钉扎场Hex的初始方向为起点，沿角度θ方向施加外磁场H2，如图1所示，所述外磁场H2的大小应大于钉扎场Hex与铁磁层矫顽力之和，同时在该双层膜膜面沿外磁场H2方向施加一脉冲电流，所述脉冲电流的电流密度应大于105A/cm2，作用完成后，即可产生沿角度θ方向的新钉扎场。
本发明的基本原理可以描述如下：
由于外磁场H2大于钉扎场Hex与铁磁层矫顽力之和，因而在其作用下可使铁磁层的磁矩取向沿外磁场H2，因此当沿该方向加以脉冲电流时，流过铁磁层的电子将被磁性层所极化使其自旋取向也沿外磁场H2的方向，如图2所示。当电流流经铁磁层和反铁磁层的交界面时，这些自旋极化的电子会将其所携带的自旋角动量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，即自旋转矩效应，且该力矩大小与电流大小呈正比，其作用将使铁磁层/反铁磁层界面的净磁矩的方向趋于自旋极化电子自旋的取向，也就是外磁场H2的方向。由于铁磁层/反铁磁双层膜的钉扎场方向由界面净磁矩的方向所决定，因而在外磁场和脉冲电流的同时作用下，铁磁/反铁磁双层膜的钉扎场方向将重新取向于外磁场H2的方向。因此，本发明采用沿所需角度θ方向同时施加外磁场H2和脉冲电流，可沿外磁场H2方向诱导新方向的钉扎场，方便地对铁磁/反铁磁双层膜的钉扎场方向进行调制。
本发明的有益效果是：
本发明利用自旋转矩效应调制铁磁/反铁磁双层膜钉扎场的方向，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其角度的调整，大大简化了制备步骤，降低了对专用设备的依赖；另外，在钉扎场方向设定完成后，可通过重新设置外磁场H2的方向在电流脉冲作用下重新调制该双层膜的钉扎场方向，增加了应用的灵活性。
附图说明
图1是铁磁/反铁磁双层膜中电流脉冲及外磁场H2作用示意图。
图2是铁磁层和反铁磁层交界面净磁矩在自旋转矩的作用下重取向示意图。
图3是铁磁/反铁磁双层膜在电流脉冲作用前后沿(a)0°及(b)45°测试的磁滞回线。
具体实例
铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向与钉扎场初始方向呈θ度(θ＝45、90、135及180)的调制的方法，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，制备四片铁磁/反铁磁双层膜。
所述铁磁/反铁磁双层膜制备时所选基片为高阻Si基片，基片尺寸为10×10mm，铁磁层材料选NiFe，反铁磁材料选IrMn，沉积磁场H1为100Oe，方向沿基片表面，该方向定义为θ＝0°。沉积完成后，选择制备的四片薄膜中的一片采用振动样品磁强计沿沉积磁场方向测试其磁滞回线，并从磁滞回线上确定钉扎场及铁磁层矫顽力(该样品钉扎场与铁磁层矫顽力之和为111Oe)。
步骤2：磁滞回线测试完成后，以钉扎场初始方向为起点，沿θ＝45°方向施加外磁场H2(大小为150Oe)并同时在该双层膜膜面沿外磁场H2方向施加一脉冲电流，脉冲电流密度为1.2×105A/cm2，电流脉冲作用时间为100ms，作用完成后采用振动样品磁强计沿外磁场H2方向测试其磁滞回线，电流脉冲作用前后沿0°及45°测试的磁滞回线如图3所示，可见在电流脉冲沿θ＝45°方向施加外磁场H2后，钉扎场方向由初始的沿θ＝0°变化为了θ＝45°。
步骤3：重复步骤1-2，调制其余三片样品的钉扎场方向与初始钉扎场方向呈θ度(θ＝90、135及180°)。

Claims (2)

1.一种铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法，包括以下步骤：
步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场H1作用下，制备铁磁/反铁磁双层膜；
所述外磁场H1为单一方向、大小恒定的磁场，其方向沿膜面、大小在50Oe～300Oe之间；
步骤1制备完成的铁磁/反铁磁双层膜，其钉扎场Hex的方向与外磁场H1方向一致，并且定义该方向为钉扎场Hex的初始方向；
步骤2：在步骤1所得的铁磁/反铁磁双层膜中以钉扎场Hex的初始方向为起点，沿角度θ方向施加外磁场H2，所述外磁场H2的大小应大于钉扎场Hex与铁磁层矫顽力之和，同时在该双层膜膜面沿外磁场H2方向施加一脉冲电流，所述脉冲电流的电流密度应大于105A/cm2，作用完成后，即可产生沿角度θ方向的新钉扎场。
2.根据权利要求1所述的铁磁/反铁磁双层膜钉扎场方向的调制方法，其特征在于，所述铁磁/反铁磁双层膜中，铁磁层材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，反铁磁层材料为FeMn、NiMn、IrMn或PtMn合金。
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