CN109507616A - 反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法、表征器件及其制备方法 - Google Patents

反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法、表征器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法，具体是：将反铁磁材料表面设置铁磁材料，二者间发生耦合作用；对反铁磁材料提供应力，在应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，由于该耦合作用铁磁材料的磁性也发生变化，通过测量铁磁材料磁性的变化推出反铁磁材料在该应力作用下的磁性变化。利用该表征方法可得到反铁磁材料在应力作用下的磁性变化规律，据此可通过调控应力实现反铁磁材料磁性的调控。本发明还提供了一种表征器件，呈多层膜结构，依次为衬底层、反铁磁材料层、铁磁材料层以及保护层，具有结构简单，方便表征的优点。

Description

反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法、表征器件及 其制备方法
技术领域
本发明涉及反铁磁材料技术领域，尤其涉及一种反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法、表征器件及其制备方法。
背景技术
磁性材料(铁磁/反铁磁)是制备电子器件的重要组成部分，在柔性衬底上制备磁性薄膜并研究其磁电特性是发展柔性磁电子器件的重要基础。在实际的使用过程中，磁电子器件不可避免的会受到应力的影响，因此，研究应力下磁性材料的性能变化规律对柔性磁电材料与器件的发展具有非常重要的作用。
到目前为止，对于应力下铁磁材料的变化规律的研究已经有很多报导。然而，我们知道，反铁磁材料的净磁矩为零，对外磁场无响应，因此反铁磁材料的变化从宏观磁性上难以表征，想直接探测反铁磁材料的磁性变化是非常困难的，关于应力对反铁磁材料的调控很少有人研究。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供了一种反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法，具体是：将反铁磁材料表面设置铁磁材料，二者间发生耦合作用；对反铁磁材料提供应力，在应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，由于该耦合作用铁磁材料的磁性也发生变化，通过测量铁磁材料磁性的变化推出反铁磁材料在该应力作用下的磁性变化。
利用上述的表征方法可实现一种反铁磁材料的磁性调控方法，即，利用上述的表征方法得到反铁磁材料在应力作用下的磁性变化规律，按照该磁性变化规律通过调控应力实现调控反铁磁材料磁性的目的。
反铁磁性是材料的一种磁性。本发明所述的反铁磁材料是指在一定温度条件下具有反铁磁性的材料，并且在该温度条件下对该材料施加本发明所述的应力时该材料仍然具有反铁磁性。本发明所述的铁磁材料在该温度条件下具有铁磁性，并且在该温度条件下对反铁磁性材料施加本发明所述的应力后仍然具有铁磁性。
所述的反铁磁材料包括但不限于FeRh、NiCoMnIn等中的一种材料或两种以上的混合材料。
所述的铁磁材料包括但不限于磁性金属、磁性氧化物、有机磁性材料等，例如CoFeB、FeCo、FeGa等中的一种材料或两种以上的混合材料。
作为一种实现方式，反铁磁材料表面设置铁磁材料，二者间发生耦合作用，铁磁材料的磁各向异性发生变化，由单轴各向异性转变为四重对称磁各向异性；对反铁磁材料提供应力，在应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，导致与其耦合的铁磁材料的磁性也发生变化，通过铁磁共振测量得到应变前后铁磁材料共振磁场的变化。对于一个铁磁体来说，其磁化强度M在磁场中运动方程为如下式(Ⅰ)：
根据以上公式，对于只有单轴磁各向异性和四重对称磁各向异性的磁性材料来说，其铁磁共振场Hr、单轴各向异性场Hu、四重对称磁各向异性场H1与微波频率ω存在如下关系式(Ⅱ)，请参见文献：Z.C.Huang,Y.Zhai,Y.X.Lu,G.D.Li,P.K.J.Wong,Y.B.Xu,Y.X.Xu,and H.R.Zhai,Appl.Phys.Lett.92,113105(2008)
其中γ为旋磁比，Meff为有效磁化强度。
利用上述关系式对不同磁场方向的共振场进行拟合，分别得出铁磁材料单轴各向异性场Hu和四重对称磁各向异性场H1随应变的变化，而H1来源于反铁磁材料的耦合效应，因此得到反铁磁材料在应变前后的变化。
本发明还提供了一种表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的装置，包括衬底、位于衬底表面的反铁磁材料层，位于反铁磁材料层表面的铁磁材料层，以及位于铁磁材料层表面的非磁性材料层；
所述的反铁磁材料层与铁磁材料层之间具有耦合作用；
所述的衬底为柔性衬底，当柔性衬底发生形变时产生应力，在该应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，由于耦合作用铁磁材料的磁性也发生变化，通过测量铁磁材料磁性的变化推出反铁磁材料在该应力作用下的磁性变化；
或者，所述衬底材料是具有逆压电效应的材料，所述衬底连接电压发生装置，电压发生装置对衬底施加电压，通过逆压电效应产生应力，在该应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，由于耦合作用铁磁材料的磁性也发生变化，通过测量铁磁材料磁性的变化推出反铁磁材料在该应力作用下的磁性变化。
所述的反铁磁材料定义与前文相同。是指在一定温度条件下具有反铁磁性的材料，并且在该温度条件下对该材料施加本发明所述的应力时该材料仍然具有反铁磁性。所述的铁磁材料在该温度条件下具有铁磁性，并且在该温度条件下对反铁磁性材料施加本发明所述的应力后仍然具有铁磁性。
所述的反铁磁材料包括但不限于FeRh、NiCoMnIn等中的一种材料或两种以上的混合材料。
所述的铁磁材料包括但不限于磁性金属、磁性氧化物、有机磁性材料等，例如CoFeB、FeCo、FeGa等中的一种材料或两种以上的混合材料。
所述的柔性衬底材料不限，包括单晶、陶瓷、金属、有机物、塑料等。
所述的具有逆压电效应的材料不限，包括钛酸钡(BaTiO3)、钛酸钡的掺杂材料、铅基铁电材料、单相多铁材料等中的一种材料或两种以上的混合材料。其中，铅基铁电材料可以是钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)、钛酸铅镧((La,Pb)TiO3)、锆钛酸铅镧((La,Pb)(Zr,Ti)O3)、铌镁酸铅(Pb(Mg,Nb)O3)、铌锌酸铅(Pb(Zn,Nb)O3)、铌钪酸铅(Pb(Sc,Nb)O3)、铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3)、铌锌酸铅-钛酸铅(Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3)、铌钪酸铅-钛酸铅(Pb(Sc,Nb)O3-PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸锶钡((Ba,Sr)TiO3)、铁酸铋(BiFeO3)等中的一种材料或两种以上的混合材料。
所述的非磁性材料层作为保护层，该非磁性材料包括但不限于铂、金、钽及其合金等。
作为一种实现方式，反铁磁材料表面设置铁磁材料，二者间发生耦合作用，铁磁材料的磁各向异性发生变化，由单轴各向异性转变为四重对称磁各向异性；对反铁磁材料提供应力，在应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，导致与其耦合的铁磁材料的磁性也发生变化，通过铁磁共振测量得到应变前后铁磁材料共振磁场的变化。对于一个铁磁体来说，其磁化强度M在磁场中运动方程如上文中的式(Ⅰ)：
根据该公式，对于只有单轴磁各向异性和四重对称磁各向异性的磁性材料来说，其铁磁共振场Hr、单轴各向异性场Hu、四重对称磁各向异性场H1与微波频率ω存在上文中的关系式(Ⅱ)。
利用上述关系对不同磁场方向的共振场进行拟合，分别得出铁磁材料单轴各向异性场Hu和四重对称磁各向异性场H1随应变的变化，而H1来源于反铁磁材料的耦合效应，因此得到反铁磁材料在应变前后的变化。
本发明还提供了一种制备上述装置的方法，包括如下步骤：
(1)形成衬底层，衬底是柔性衬底或者是具有逆压电效应的材料层；
(2)在衬底层表面制备反铁磁材料层；
(3)在反铁磁材料层表面制备铁磁材料层；
(4)在铁磁材料层表面制备非磁性材料层；
当衬底是具有逆压电效应的材料层时，还包括将衬底与电压发生装置连接的步骤。
例如，当反铁磁材料为具有B2有序结构的FeRh，铁磁材料为非晶CoFeB时，所述的步骤(2)与步骤(3)优选如下：
(2)利用磁控溅射技术在衬底层表面沉积FeRh合金薄膜，控制Fe、Rh原子比为1：1，形成B2有序结构，溅射结束后将薄膜原位退火；进一步优选地，FeRh薄膜厚度为15nm～40nm；
(3)利用磁控溅射技术在FeRh合金薄膜表面沉积CoFeB合金薄膜，控制生长温度，使CoFeB形成非晶结构；进一步优选地，CoFeB薄膜厚度为5nm～15nm。
与现有技术相比，本发明在反铁磁材料表面设置铁磁材料，通过二者之间的耦合作用实现了在应力作用下反铁磁材料磁性变化的表征，进而可寻找反铁磁材料在应力作用下的磁性变化规律，从而能够实现通过应力调控反铁磁材料磁性的目的。
附图说明
图1是本发明实施例1中表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件结构示意图；
图2是本发明实施例2中表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件结构示意图；
图1、2中的附图标记为：反铁磁材料层1、铁磁材料层2、非磁性层3，衬底层4，电压发生装置5，形变发生装置6。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件结构如图1所示，呈多层膜结构，自下往上依次为：形变发生装置6、衬底4、反铁磁材料层1、铁磁材料层2，以及非磁性层3。
衬底4为柔性衬底，采用商业购买的柔性并且耐高温的铜箔构成。
反铁磁材料层1由FeRh构成，在室温下该FeRh材料表现出反铁磁性。
铁磁材料层2由非晶CoFeB构成。
非磁性层3为Ta材质，作为保护层。
该器件的制备方法如下：
步骤1：选择商业购买的柔性并且耐高温的高纯铜箔作为衬底4，其厚度为25微米；
步骤2：将衬底清洗干净后放入磁控溅射腔体，将温度升高至500度加热衬底1小时，使用FeRh合金作为靶材，利用磁控溅射技术在衬底上沉积FeRh合金薄膜，控制Fe、Rh原子比为1：1，FeRh薄膜厚度为10nm～50nm；溅射结束后，将样品原位退火，退火温度为650℃，退火时间为2小时，即形成B2有序结构的FeRh薄膜；
步骤3：使用CoFeB合金作为靶材，利用磁控溅射技术继续在FeRh薄膜上沉积CoFeB合金薄膜，控制溅射温度，形成非晶CoFeB薄膜，CoFeB薄膜厚度为5nm～15nm；
步骤4：使用Ta作为靶材，利用磁控溅射技术继续在CoFeB薄膜上沉积保护层Ta。
将衬底4固定在形变发生装置6上。
利用该器件对反铁磁材料在应力作用下的磁性变化进行表征，包括如下过程：
(1)选择合适的温度，在该温度下反铁磁材料FeRh具有反铁磁性，铁磁材料CoFeB具有铁磁性；单层的CoFeB单晶只表现出微弱的单轴磁各向异性，由于反铁磁材料FeRh和铁磁材料CoFeB之间的耦合作用，CoFeB中显示四重对称磁各向异性，因此这种四重对称磁各向异性来源于FeRh的耦合作用。
(2)在形变发生装置6作用下柔性衬底4发生形变，产生应力，该应力作用于反铁磁材料FeRh，使反铁磁材料FeRh的磁性发生变化，进而通过耦合作用导致铁磁材料CoFeB中的磁性也发生变化，此时通过铁磁共振测量得到应变前后CoFeB共振磁场的变化。对于一个铁磁体来说，其磁化强度M在磁场中运动方程如上文中的式(Ⅰ)：
根据该公式，对于只有单轴磁各向异性和四重对称磁各向异性的磁性材料来说，其铁磁共振场Hr、单轴各向异性场Hu、四重对称磁各向异性场H1与微波频率ω存在上文中的关系式(Ⅱ)。
根据该公式，对于只有单轴磁各向异性和四重对称磁各向异性的磁性材料来说，其铁磁共振场Hr、单轴各向异性场Hu、四重对称磁各向异性场H1与微波频率ω存在如上关系式(Ⅱ)。
利用上述关系对不同磁场方向的共振场进行拟合，分别得出铁磁材料单轴各向异性场Hu和四重对称磁各向异性场H1随应变的变化，而H1来源于反铁磁材料的耦合效应，因此得到反铁磁材料在应变前后的变化。
通过对这些数值的分析，得到反铁磁材料FeRh在应力作用下的磁性变化规律，从而能够实现通过应力调控反铁磁材料FeRh的磁性的目的。
实施例2：
本实施例中，表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件结构如图2所示，呈多层膜结构，自下往上依次为：衬底4、反铁磁材料层1、铁磁材料层2，以及非磁性层3，衬底4连接电压发生装置5。
衬底4采用铁电材料Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3(PMNPT)构成，具有逆压电效应。
反铁磁材料层1由FeRh构成，在室温下该FeRh材料为反铁磁性，在应力作用下其磁性发生变化。
铁磁材料层2由非晶CoFeB构成。
非磁性层3为Ta材质，作为保护层。
该器件的制备方法如下：
步骤1：选择铁电材料PMNPT作为衬底4；
步骤2：将衬底清洗干净后放入磁控溅射腔体，将温度升高至500度加热衬底1小时，使用FeRh合金作为靶材，利用磁控溅射技术在铁电衬底PMNPT上沉积FeRh合金薄膜，控制Fe、Rh原子比为1：1，FeRh薄膜厚度为10nm～50nm；溅射结束后，将样品原位退火，退火温度为650℃，退火时间为2小时，即形成B2有序结构的FeRh薄膜；
步骤3：使用CoFeB合金作为靶材，利用磁控溅射技术继续在FeRh薄膜上沉积CoFeB合金薄膜，控制溅射温度，形成非晶CoFeB薄膜，CoFeB薄膜厚度为5nm～15nm；
步骤4：使用Ta作为靶材，利用磁控溅射技术继续在CoFeB薄膜上沉积保护层Ta。
将衬底4与电压发生装置5相连接。
利用该器件对反铁磁材料在应力作用下的磁性变化进行表征，包括如下过程：
(1)选择合适的温度，在该温度下反铁磁材料FeRh具有反铁磁性，铁磁材料CoFeB具有铁磁性；单层的CoFeB单晶只表现出微弱的单轴磁各向异性，由于反铁磁材料FeRh和铁磁材料CoFeB之间的耦合作用，CoFeB中显示四重对称磁各向异性，因此这种四重对称磁各向异性来源于FeRh的耦合作用。
(2)通过电压发生装置5对衬底4施加电压，由于逆压电效应，衬底4产生应力，该应力作用于反铁磁材料FeRh，使反铁磁材料FeRh的磁性发生变化，进而通过耦合作用导致铁磁材料CoFeB中的磁性也发生变化，此时通过铁磁共振测量得到应变前后CoFeB共振磁场的变化。对于一个铁磁体来说，其磁化强度M在磁场中运动方程如上文中的式(Ⅰ)：
根据该公式，对于只有单轴磁各向异性和四重对称磁各向异性的磁性材料来说，其铁磁共振场Hr、单轴各向异性场Hu、四重对称磁各向异性场H1与微波频率ω存在上文中的关系式(Ⅱ)。
利用上述关系对不同磁场方向的共振场进行拟合，分别得出铁磁材料单轴各向异性场Hu和四重对称磁各向异性场H1随应变的变化，而H1来源于反铁磁材料的耦合效应，因此得到反铁磁材料在应变前后的变化。
通过对这些数值的分析，得到反铁磁材料FeRh在应力作用下的磁性变化规律，从而能够实现通过应力调控反铁磁材料FeRh的磁性的目的。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法，其特征是：将反铁磁材料表面设置铁磁材料，二者间发生耦合作用；对反铁磁材料提供应力，在应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，由于该耦合作用铁磁材料的磁性也发生变化，通过测量铁磁材料磁性的变化推出反铁磁材料在该应力作用下的磁性变化。
2.如权利要求1所述的反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法，其特征是：所述的反铁磁材料包括FeRh、NiCoMnIn中的一种材料或两种材料的混合。
3.如权利要求1所述的反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法，其特征是：所述的铁磁材料包括磁性金属、磁性氧化物，以及有机磁性材料；
作为优选，所述的铁磁材料包括CoFeB、FeCo、FeGa中的一种材料或两种以上的混合材料。
4.如权利要求1所述的反铁磁材料在应力作用下磁性变化的表征方法，其特征是：在耦合作用下，铁磁材料的磁各向异性由单轴各向异性转变为四重对称磁各向异性；通过铁磁共振测量得到应变前后铁磁材料共振磁场的变化，对于只有单轴磁各向异性和四重对称磁各向异性的磁性材料来说，其铁磁共振场Hr、单轴各向异性场Hu、四重对称磁各向异性场H1与微波频率ω存在如下关系式(Ⅱ)，
其中γ为旋磁比，Meff为有效磁化强度；
利用上述关系对不同磁场方向的共振场进行拟合，分别得出铁磁材料单轴各向异性场Hu和四重对称磁各向异性场H1随应变的变化，而H1来源于反铁磁材料的耦合效应，因此得到反铁磁材料在应变前后的变化。
5.一种反铁磁材料的磁性调控方法，其特征是：利用权利要求1、2、3或4所述的表征方法得到反铁磁材料在应力作用下的磁性变化规律，按照该磁性变化规律通过调控应力而调控反铁磁材料的磁性。
6.一种表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件，其特征是：包括衬底、位于衬底表面的反铁磁材料层，位于反铁磁材料层表面的铁磁材料层，以及位于铁磁材料层表面的非磁性材料层；
所述的反铁磁材料层与铁磁材料层之间具有耦合作用；
所述的衬底为柔性衬底，当柔性衬底发生形变时产生应力，在该应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，由于耦合作用铁磁材料的磁性也发生变化，通过测量铁磁材料磁性的变化推出反铁磁材料在该应力作用下的磁性变化；
或者，所述衬底材料是具有逆压电效应的材料，所述衬底连接电压发生装置，电压发生装置对衬底施加电压，通过逆压电效应产生应力，在该应力作用下反铁磁材料的磁性发生变化，由于耦合作用铁磁材料的磁性也发生变化，通过测量铁磁材料磁性的变化推出反铁磁材料在该应力作用下的磁性变化。
7.如权利要求6所述的表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件，其特征是：在耦合作用下，铁磁材料的磁各向异性由单轴各向异性转变为四重对称磁各向异性；通过铁磁共振测量得到应变前后铁磁材料共振磁场的变化，对于只有单轴磁各向异性和四重对称磁各向异性的磁性材料来说，其铁磁共振场Hr、单轴各向异性场Hu、四重对称磁各向异性场H1与微波频率ω存在如下关系式(Ⅱ)，
其中γ为旋磁比，Meff为有效磁化强度；
利用上述关系对不同磁场方向的共振场进行拟合，分别得出铁磁材料单轴各向异性场Hu和四重对称磁各向异性场H1随应变的变化，而H1来源于反铁磁材料的耦合效应，因此得到反铁磁材料在应变前后的变化。
8.如权利要求6所述的表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件，其特征是：
所述的反铁磁材料包括FeRh、NiCoMnIn中的一种材料或两种材料的混合；
作为优选，所述的铁磁材料包括磁性金属、磁性氧化物，以及有机磁性材料；
作为优选，所述的铁磁材料包括CoFeB、FeCo、FeGa中的一种材料或两种以上的混合材料。
9.如权利要求6所述的表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件，其特征是：所述的柔性衬底材料包括单晶、陶瓷、金属、有机物、塑料；
作为优选，所述的具有逆压电效应的材料包括钛酸钡、钛酸钡的掺杂材料、铅基铁电材料、单相多铁材料中的一种材料或两种以上的混合材料；
作为优选，所述的非磁性材料层包括铂、金、钽及其合金。
10.如权利要求6、7、8或9所述的表征反铁磁材料在应力作用下磁性变化的器件的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)形成衬底层，衬底是柔性衬底或者是具有逆压电效应的材料层；
(2)在衬底层表面制备反铁磁材料层；
(3)在反铁磁材料层表面制备铁磁材料层；
(4)在铁磁材料层表面制备非磁性材料层；
当衬底是具有逆压电效应的材料层时，还包括将衬底与电压发生装置连接的步骤。
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