CN107611257A - 一种垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由亚铁磁稀土‑过渡合金薄膜I、非磁性间隔层和亚铁磁稀土‑过渡合金薄膜II依次生长而成的人工磁耦合结构材料及其制备方法，亚铁磁稀土‑过渡合金薄膜II是和薄膜I同样的稀土‑过渡合金材料，通过相同的磁控溅射过程控制不同的沉积厚度制得。亚铁磁稀土‑过渡合金薄膜I厚度为20‑30nm，是富稀土相，易磁化方向垂直膜面；亚铁磁稀土‑过渡合金薄膜II厚度为3‑6nm，是富过渡相，易磁化方向为面内或者倾斜接近膜面。利用层间交换耦合作用，可实现人工结构材料的垂直负矫顽力，制备工艺简单，材料性能稳定，可以作为一种新型的磁电、磁传感器件及信息存储材料。

Description

一种垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料及其制备方法

技术领域

本发明属于交换耦合磁性多层薄膜及其制备方法，可应用于磁电与磁传感器件以及信息存储材料领域，涉及一种垂直磁电器件薄膜材料及其制备方法。

背景技术

当前随着新兴磁自旋电子学的快速发展，具有垂直磁各向异性、高稳定性的亚铁磁稀土-过渡合金薄膜材料在高密度、低功耗的磁存储与磁传感器件领域得到广泛应用。磁存储与磁传感器件要求亚铁磁稀土-过渡族合金薄膜具有非常不同的垂直矫顽力，满足不同的功能要求。因此寻找具有大变化范围甚至负垂直矫顽力的稀土-过渡族合金薄膜的制备方法，在当前磁电信息存储及磁传感器领域具有重要意义，并有可能产生巨大的经济效应。

利用层间交换耦合效应在磁多层膜系中有可能实现负矫顽力。J-M.L.Beaujour[J-M.L.Beaujouret al,Appl.Phys.Lett.78,964(2001)]等在面内易轴的单晶DyFe₂/YFe₂多层膜体系中报道了低温(20K)负矫顽力现象。X.X.Liu[X.X.Liu et al,IEEETrans.Magn.45(10),4100(2009)]等在Ni/TbFeCo/Ni三层结构中报道了室温负矫顽力。这两种体系中都是利用两种不同磁性薄膜之间的反铁磁耦合作用实现的负矫顽力。高外磁场下，层间反铁磁耦合作用导致多层膜体系中出现较大的交换耦合能。该交换耦合能可以克服赛曼能的变化在外场还未过零反号时就可实现饱和磁化强度大的软磁层先发生反转从而实现体系的负矫顽力。

发明内容

本发明是对传统稀土-过渡合金族薄膜及其制备方法的改进，提出一种新型的垂直负矫顽力的人工磁耦合结构材料及其制备方法。通过层间交换耦合作用，实现制备的人工磁耦合结构材料的垂直矫顽力为负值。成本低廉，制备周期短，满足不同磁电器件及磁传感器件的要求。

本发明的技术方案为：

一种垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料，包括依次层叠的亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I、非磁性间隔层和亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I和亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II是XFeCo合金薄膜，其中X是稀土元素Tb、Dy或Gd；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I厚度为20-30nm，其稀土元素X的子晶格磁矩占优，易磁化方向垂直膜面；所述非磁性间隔层的厚度为1-4nm；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II的厚度为3-6nm，其过渡元素的子晶格磁矩占优，易磁化方向为面内或者倾斜接近膜面。

优选的，所述TbFeCo合金薄膜的Tb元素成分不低于25％，DyFeCo合金薄膜的Dy元素成分不低于26％，GdFeCo合金薄膜的Gd元素成分不低于26％。

优选的，所述间隔层是Cu、Ru、Ta、Pd、Pt、SiN、AlN或MgO。

一种上述垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料的制备方法包括以下步骤：

1)将高纯度稀土X贴片与铁钴合金靶组成的复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶放入磁控共溅射室的靶位；

2)将清洗烘干后的基片安置固定于真空溅射室的基片台上，调节靶基距为4-8cm；

3)抽真空至溅射真空室达到真空度1×10^-5Pa以下，通高纯度氩气作为工作气体，设定控制氩气流量，等溅射工作气压稳定并维持在设定溅射工作数值，溅射氩气进气流量介于30-100sccm，溅射工作氩气气压0.2-1.0Pa；

4)磁控溅射所述复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶，溅射生长所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I；

5)于所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I上溅射生长所述非磁性间隔层；

6)磁控溅射所述复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶，于所述非磁性间隔层上生长所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II。

优选的，所述溅射功率密度1.5-6W/cm²。溅射速率为0.1-0.3nm/s。

本发明得到的材料在不同外磁场作用下，两磁层的磁矩可以呈现近似平行或者反平行耦合排列，并且可以在一定大小的磁场范围内维持这种近似平行或者反平行耦合状态。人工磁耦合结构中两层合金薄膜的厚度差别保证了垂直亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I的磁化强度大于铁磁稀土-过渡合金薄膜II的磁化强度。高外磁场时，人工磁耦合结构中两磁层的净磁矩取向与外场近似平行一致。在非磁性间隔层两侧亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I和铁磁稀土-过渡合金薄膜II的界面处形成了一个过渡和稀土磁矩变化180度的区域，储存了一个大的交换耦合能。该交换耦合能可以克服赛曼能的变化在外场还未过零反号时就可实现人工结构中稀土元素子晶格磁矩占优的亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I先发生磁化反转而导致垂直矫顽力为负值。改变间隔层的厚度也可改变层间耦合作用的大小，调整体系薄膜的磁特性。同时，人工磁耦合结构材料具有高稳定性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

通过交换耦合作用在人工磁耦合结构材料中实现垂直负矫顽力，拓宽合金薄膜垂直矫顽力的变化范围。不需要改变复合镶嵌靶材中稀土元素贴片的数量以及位置或者使用不同比例成分的三元合金靶材，可在不破坏真空的条件下一次性制备具有垂直负矫顽力的人工磁耦合结构材料。该制备方法简单，重复性好、成本低廉。

附图说明

图1为实施例1的人工磁耦合结构材料的磁化曲线，图中箭头方向表示磁场从负最大增大到正最大人工结构材料的磁化曲线。

图2为实施例2的人工磁耦合结构材料的磁化曲线，图中箭头方向表示磁场从负最大增大到正最大人工结构材料的磁化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

将高纯度稀土Tb贴片与铁钴合金靶组成的复合镶嵌靶或者三元TbFeCo合金靶放入磁控共溅射室的靶位。将清洗烘干后的单晶Si基片安置固定于真空溅射室的基片台上。溅射真空室达到真空度1×10^-5Pa以下，通高纯度氩气作为工作气体，设定控制氩气流量，等溅射工作气压稳定并维持在设定溅射工作数值。溅射氩气进气流量80sccm，溅射工作氩气气压0.6Pa、靶基距5cm、溅射功率密度5.92W/cm²，溅射速率为0.2nm/s。磁控溅射复合镶嵌靶或者三元合金靶，溅射生长垂直TbFeCo合金薄膜I，厚度为21nm，复合镶嵌靶中置于铁钴合金靶上的Tb贴片数量以及三元合金靶材的Tb稀土含量要保证溅射制备的TbFeCo合金薄膜I中的Tb元素的质量分数不低于25％，在该厚度下呈现稀土元素的子晶格磁矩占优的富稀土相，易磁化方向垂直膜面。然后，溅射Pd的非磁性间隔层，厚度为2nm。接着射频或者直流溅射该复合镶嵌靶或者三元合金靶生长TbFeCo合金薄膜II，厚度为5nm，在该厚度下呈现过渡元素的子晶格磁矩占优的富过渡相，易磁化方向为面内或者倾斜接近膜面。该三层结构组成人工磁耦合结构材料。人工结构中合金薄膜的厚度差别保证合金薄膜I的磁化强度大于合金薄膜II的磁化强度。利用层间交换耦合作用，可实现人工结构材料的垂直负矫顽力为负值。

参考图1所示本实施例的人工磁耦合结构材料的磁化曲线，矫顽力为-158Oe。

实施例2

将高纯度稀土Tb贴片与铁钴合金靶组成的复合镶嵌靶或者三元TbFeCo合金靶放入磁控共溅射室的靶位。将清洗烘干后的单晶Si基片安置固定于真空溅射室的基片台上。溅射真空室达到真空度1×10^-5Pa以下，通高纯度氩气作为工作气体，设定控制氩气流量，等溅射工作气压稳定并维持在设定溅射工作数值。溅射氩气进气流量80sccm，溅射工作氩气气压0.6Pa、靶基距5cm、射频溅射功率密度5.92W/cm²，溅射速率为0.2nm/s。磁控溅射复合镶嵌靶或者三元合金靶，溅射生长垂直TbFeCo合金薄膜I，厚度为21nm，复合镶嵌靶中置于铁钴合金靶上的Tb贴片数量以及三元合金靶材的Tb稀土含量要保证溅射制备的TbFeCo合金薄膜I中的Tb元素的质量分数不低于25％，在该厚度下呈现稀土元素的子晶格磁矩占优的富稀土相，易磁化方向垂直膜面。然后，溅射Pd的非磁性间隔层，厚度为1nm。接着射频或者直流溅射该复合镶嵌靶或者三元合金靶生长TbFeCo合金薄膜II，厚度为5nm，在该厚度下呈现过渡元素的子晶格磁矩占优的富过渡相，易磁化方向为面内或者倾斜接近膜面。该三层结构组成人工磁耦合结构材料。人工结构中合金薄膜的厚度差别保证合金薄膜I的磁化强度大于合金薄膜II的磁化强度。利用层间交换耦合作用，可实现人工结构材料的垂直负矫顽力为负值。间隔层厚度可改变层间耦合作用的大小，调节制备的人工磁耦合结构材料的磁特性。

参考图2所示本实施例的人工磁耦合结构材料的磁化曲线，矫顽力为-300Oe。

本领域普通技术人员可知，本发明的具体参数和组分在下述范围内变化时，仍能够得到与上述实施例相同或相近的技术效果：

一种垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料，包括依次层叠的亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I、非磁性间隔层和亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I和亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II是XFeCo合金薄膜，其中X是稀土元素Tb、Dy或Gd；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I厚度为20-30nm，其稀土元素X的子晶格磁矩占优，易磁化方向垂直膜面；所述非磁性间隔层的厚度为1～4nm；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II的厚度为3-6nm，其过渡元素的子晶格磁矩占优，易磁化方向为面内或者倾斜接近膜面。所述TbFeCo合金薄膜的Tb元素成分不低于25％，DyFeCo合金薄膜的Dy元素成分不低于26％，GdFeCo合金薄膜的Gd元素成分不低于26％。所述间隔层是Cu、Ru、Ta、Pd、Pt等金属材料或SiN、AlN、MgO等绝缘材料。

上述垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料的制备方法包括以下步骤：将高纯度稀土X贴片与铁钴合金靶组成的复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶放入磁控共溅射室的靶位；将清洗烘干后的基片安置固定于真空溅射室的基片台上，调节靶基距为4-8cm；抽真空至溅射真空室达到真空度1×10^-5Pa以下，通高纯度氩气作为工作气体，设定控制氩气流量，等溅射工作气压稳定并维持在设定溅射工作数值，溅射氩气进气流量介于30-100sccm，溅射工作氩气气压0.2-1.0Pa；磁控溅射所述复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶，溅射生长所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I；于所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I上溅射生长所述非磁性间隔层；磁控溅射所述复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶，于所述非磁性间隔层上生长所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II。所述溅射功率密度1.5-6W/cm²。溅射速率为0.1-0.3nm/s。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料，其特征在于：包括依次层叠的亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I、非磁性间隔层和亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I和亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II是XFeCo合金薄膜，其中X是稀土元素Tb、Dy或Gd；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I厚度为20-30nm，其稀土元素X的子晶格磁矩占优，易磁化方向垂直膜面；所述非磁性间隔层的厚度为1-4nm；所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II的厚度为3-6nm，其过渡元素的子晶格磁矩占优，易磁化方向为面内或者倾斜接近膜面。

2.根据权利要求1所述的垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料，其特征在于：所述TbFeCo合金薄膜的Tb元素成分不低于25％，DyFeCo合金薄膜的Dy元素成分不低于26％，GdFeCo合金薄膜的Gd元素成分不低于26％。

3.根据权利要求1所述的垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料，其特征在于：所述间隔层是Cu、Ru、Ta、Pd、Pt、SiN、AlN或MgO。

4.一种权利要求1-3任一项所述的垂直负矫顽力人工磁耦合结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将高纯度稀土X贴片与铁钴合金靶组成的复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶放入磁控共溅射室的靶位；

2)将清洗烘干后的基片安置固定于真空溅射室的基片台上，调节靶基距为4-8cm；

3)抽真空至溅射真空室达到真空度1×10^-5Pa以下，通高纯度氩气作为工作气体，设定控制氩气流量，等溅射工作气压稳定并维持在设定溅射工作数值，溅射氩气进气流量介于30-100sccm，溅射工作氩气气压0.2-1.0Pa；

4)磁控溅射所述复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶，溅射生长所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I；

5)于所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜I上溅射生长所述非磁性间隔层；

6)磁控溅射所述复合镶嵌靶或者三元XFeCo合金靶，于所述非磁性间隔层上生长所述亚铁磁稀土-过渡合金薄膜II。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述溅射功率密度1.5-6W/cm²。溅射速率为0.1-0.3nm/s。