CN113257995B - 具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜及其制备方法 - Google Patents

具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜及其制备方法，步骤S1：在衬底基片上制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿薄膜面内方向单调变化；步骤S3：采用高温快速退火对楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；步骤S5：通过离子辐照对有序化处理后的楔形铁磁合金单层的连续区域进行辐照处理，得到铁磁合金单层薄膜。本发明制备的铁磁合金单层薄膜在无磁场辅助下实现磁化翻转，以此作为信息磁存储材料，实现单个存储单元的磁矩操作。

Description

具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于磁存储信息领域，尤其涉及一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的铁磁合金单层薄膜及其制备方法。
背景技术
信息磁存储的核心技术是利用外部技术手段（例如力、电、光、声、磁）实现磁化状态的切换。对于信息磁存储材料及芯片而言，如何操控材料中的磁矩方向是实现信息存储的基础。其中，磁场对磁性材料中磁化状态的操控由来已久。随着微纳加工技术的提高，信息磁存储单元的尺寸逐步减小到纳米量级，而如何将磁场微型化植入到纳米器件中则成为当前制约微纳存储器件发展的一大技术瓶颈。
早期，利用微纳加工形成的写入线中电流产生奥斯特磁场，从而实现单个存储单元的磁矩操控。但是，随着单位面积上的存储单元数目不断增加，磁场微型化成为了限制存储器件发展的技术难题。因此，人们在寻求改善磁场植入技术的同时，也在探索在材料设计上实现非磁技术手段调控磁化状态的方法。
针对这一问题，提出了一种利用SOT（spin-orbit torque，自旋轨道矩）实现薄膜中的磁矩翻转的方法。通常情况下，其是在重金属层中通入一个电流的同时，在垂直于重金属层膜面方向上会产生一个自旋流，从而注入到和重金属层相邻的铁磁层中，自旋流会对铁磁层中的磁矩产生力矩，从而实现自旋轨道力矩诱导的磁化翻转（磁矩状态的相互切换）。但是，目前的国内外研究结果显示，SOT诱导磁化翻转实现信息磁存储的薄膜材料均为多层膜体系，其核心为重金属层/铁磁层双层膜。由于多层膜涉及到的层厚度均为纳米级，其精确制备具有一定的挑战性和难度，这导致制备工艺复杂，生产线设备昂贵。然而对于目前单层的薄膜而言，仍需要在一定的磁场辅助下才可以实现铁磁单层的磁化翻转，因此，如何使得单层的薄膜在无磁场辅助下也可以实现磁化翻转，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的铁磁合金单层薄膜及其制备方法，铁磁合金单层薄膜具有二元或者二元以上的合金，并通过一系列的结构设计、退火工艺和辐照处理等进行制备，可以在无磁场辅助下实现SOT诱导磁化翻转。
第一方面，本发明实施例提供一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的铁磁合金单层薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在衬底基片上制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，所述铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，所述楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿薄膜面内方向单调变化；
步骤S3：采用高温快速退火对所述楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；
步骤S5：通过离子辐照对有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层的连续区域进行辐照处理，得到所述铁磁合金单层薄膜。
其中，所述步骤S1中，所述铁磁元素和所述非磁元素的原子比为32：68~68：32；
所述楔形铁磁合金单层的厚度范围为2.5nm-30nm，所述薄膜面内方向单调变化的厚度差为0.1nm/mm-3nm/mm。
其中，所述步骤S1中所述厚度可控的楔形铁磁合金单层通过磁控溅射镀膜方法并利用磁控溅射系统配合位置可调的楔形挡板附件制备，所述磁控溅射镀膜方法采用直流溅射工艺，溅射功率为30W-120W。
其中，所述步骤S3包括：
步骤S31：将所述楔形铁磁合金单层划分成多个微区域；
步骤S32：利用单色激光器产生激光束流，所述激光束流照射在某一所述微区域的部分区域；
步骤S33：控制所述激光束流连续移动对某一所述微区域进行加热退火；
步骤S34：采用不同照射能量和时间的所述激光束流分别照射所述楔形铁磁合金单层的不同所述微区域，以调节所述楔形铁磁合金单层不同所述微区域的有序度。
其中，所述激光束流照射在所述楔形铁磁合金单层上的光斑直径为0.5μm-1.5μm，所述照射的能量为4mW-40mW，所述照射的时间为10s-100s，所述有序度范围为50%-93%。
其中，所述步骤S5包括：
步骤S51：将有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层制成长条；
步骤S52：沿所述长条的宽度方向划分出连续的细小区域，对不同的所述细小区域采用不同辐照能量和时间的离子进行辐照处理；
步骤S53：经过所述辐照处理后，得到所述铁磁合金单层薄膜。
其中，所述长条的宽度为1μm-30μm，长度为100μm-300μm。
其中，所述离子为He+和/或Ga+。
其中，所述辐照能量为5keV-30keV，所述辐照时间为20s-100s。
第二方面，本发明还提供一种采用上述制备方法制备的具有无磁场辅助磁化翻转效应的铁磁合金单层薄膜，所述铁磁元素和所述非磁元素的原子比为32：68~68：32，所述楔形铁磁合金单层的厚度范围为2.5nm-30nm，所述薄膜面内方向单调变化的厚度差为0.1nm/mm-3nm/mm，在所述铁磁合金单层薄膜中通过1mA-50mA的面内脉冲电流，所述铁磁合金单层薄膜在垂直薄膜面上的磁化方向变化至相反方向。
本发明制备一种具有二元或者二元以上的铁磁合金单层薄膜，并通过厚度不均一且沿面内方向单调变化的结构设计，以及经过快速退火和离子辐照处理的铁磁合金单层薄膜，可以实现无磁场的SOT诱导磁化翻转。并且该铁磁合金单层薄膜具有面心结构，由于铁磁合金单层薄膜的厚度、有序度等均具有不均一性，且在膜面内呈现单调梯度变化，当电流通入该铁磁合金单层薄膜时，电流在铁磁合金单层薄膜内部分布也呈现不均一性，从而打破了反演对称性，进而就可以实现无磁场辅助的SOT诱导磁化翻转。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是示出根据本发明实施例的制备铁磁合金单层薄膜的流程示意图；
图2是示出根据本发明实施例的高温快速退火的流程示意图；
图3是示出根据本发明实施例的高温快速退火的示意图；
图4是示出根据本发明实施例的辐照的流程示意图；
图5是示出根据本发明实施例的铁磁合金单层薄膜内磁矩的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种铁磁合金单层薄膜的制备方法，所述铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，铁磁元素为铁、钴、镍、锰、钆和铬中的一种或多种，非磁元素为铂、钯、铱、钽、铪、金和铑中的一种或多种，铁磁元素和非磁元素的原子比为32：68~68：32。该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：在Si衬底基片上通过磁控溅射镀膜方法并利用磁控溅射系统配合位置可调的楔形挡板附件制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，所述楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿面内方向单调变化；厚度可控体现在，根据不同需求使得楔形铁磁合金单层在不同位置具有不同的厚度；其中，所述磁控溅射镀膜方法为直流溅射工艺，溅射功率为30W-120W；所述楔形铁磁合金单层的厚度范围为2.5nm-30nm，薄膜面内方向的厚度差为0.1nm/mm-3nm/mm；
步骤S3：采用高温快速退火，其中，高温范围450℃-550℃，对所述楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；具体可以包括：
步骤S31：将楔形铁磁合金单层划分成多个微区域；优选地，将楔形铁磁合金单层等分划分成多个微区域；
步骤S32：利用单色激光器产生激光束流，激光束流照射在某一个微区域的部分区域；
步骤S33：控制激光束流连续移动对该某一微区域进行加热退火；
步骤S34：采用不同照射能量和时间的激光束流照射楔形铁磁合金单层的不同微区域，以调节楔形铁磁合金单层不同微区域的有序度；
步骤S5：通过离子辐照对有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层的连续区域进行辐照处理，以得到铁磁合金单层薄膜，具体可以包括：
步骤S51：将有序化处理后的楔形铁磁合金单层制成长条，该长条的宽度为1μm-30μm，长度为100μm-300μm；
步骤S52：沿长条的宽度方向划分出连续的细小区域，对不同的细小区域采用不同辐照能量和时间的离子进行辐照处理；优选地，离子可以为氦离子（He+）和/或镓离子（Ga+），辐照能量为5keV-30keV，辐照时间为20s-100s；
步骤S53：经过所述辐照处理后，得到铁磁合金单层薄膜。其中，步骤S1中，薄膜的面内厚度不均一可以为后续处理工艺提供形成薄膜面内横向梯度的材料基础；步骤S3的工艺处理可以实现各微区域薄膜材料的有序度不同，进而形成薄膜面内成分梯度；步骤S5中，离子辐照可以实现对薄膜不同细小区域的磁性能进行改变，从而在薄膜面内形成具有不同磁各向异性能的带有成分梯度的薄膜，磁矩从垂直于薄膜面方向向薄膜面内改变，其中磁矩垂直于薄膜面的区域中磁各向异性能单调变化。
通过上述步骤S1、S3、S5制备的铁磁合金单层薄膜，可以实现无磁场的SOT诱导磁化翻转。并且该铁磁合金单层薄膜具有面心结构，由于铁磁合金单层薄膜的厚度、有序度等均具有不均一性，且在膜面内呈现单调梯度变化，当电流通入该铁磁合金单层薄膜时，电流在铁磁合金单层薄膜内部分布也呈现不均一性，从而打破了反演对称性，进而就可以实现无磁场辅助的SOT诱导磁化翻转。
在步骤S32中，激光束流照射在楔形铁磁合金单层上的激光束斑大小可以根据需求进行调节，在一个应用场景中，可以采用微孔的形式，使得激光束流通过微孔形成预定大小的激光束斑。另外，激光束流照射在楔形铁磁合金单层上的激光束斑直径为0.5μm-1.5μm，照射的能量为4mW-40mW，照射的时间为10s-100s，楔形铁磁合金单层不同微区域的有序度为50%-93%。参见图3所示，箭头方向表示激光束流照射方向，楔形铁磁合金单层划分为多个微区域，不同微区域的激光束流的能量和照射时间不同，图3中所示从左到右的微区域照射的激光束流的能量和照射时间逐渐增加，从而使得从左到右的微区域的有序度逐渐增加。
本实施例可以利用离子能量为5keV-30keV和辐照时间为20s-100s内的离子对不同细小区域进行照射可以实现楔形铁磁合金单层薄膜的磁性能连续单调变化。当照射的能量和辐照时间超过本实施例的范围时，会导致照射后的楔形铁磁合金单层薄膜无磁性能。本实施例通过步骤S5得到的铁磁合金单层薄膜的厚度、成分、有序度呈现面内横向单调变化的梯度。
本发明还提供一种采用上述制备方法制备的铁磁合金单层薄膜。
制备的铁磁合金单层薄膜可以通过以下方法完成铁磁合金单层薄膜的磁化翻转，包括：
在铁磁合金单层薄膜中通入一定大小的面内脉冲电流，脉冲电流大小为1mA-50mA，铁磁合金单层薄膜中非磁金属由于强自旋轨道耦合作用产生自旋流，自旋流作用于磁性原子产生自旋轨道力矩，使得铁磁合金单层薄膜的磁化方向会在垂直薄膜面的方向变化至相反方向，即本发明实施例制得的铁磁合金单层薄膜可以实现无磁场辅助的磁化翻转。
实施例1
本发明实施例提供一种铁磁合金单层薄膜的制备方法，所述铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，铁磁元素为钴，非磁元素为铂，铁磁元素和非磁元素的原子比为32：68。该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：在Si（硅）衬底基片上通过磁控溅射镀膜方法并利用磁控溅射系统配合位置可调的楔形挡板附件制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，所述楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿面内方向单调变化；厚度可控体现在，根据不同需求使得楔形铁磁合金单层在不同位置具有不同的厚度；其中，所述磁控溅射镀膜方法为直流溅射工艺，溅射功率为30W；制备薄膜所用的Si衬底基片大小为22mm×22mm，薄膜面内厚度变化从5nm变化至16nm，薄膜面内厚度梯度（厚度差）为0.5nm/mm；
步骤S3：采用高温快速退火对所述楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；具体包括：
步骤S31：将楔形铁磁合金单层等分划分成多个微区域；
步骤S32：利用单色激光器产生激光束流，光斑直径为0.5μm，激光束流照射在某一个微区域的部分区域；
步骤S33：控制激光束流连续移动对该某一微区域进行加热退火；
步骤S34：采用不同照射能量和时间的激光束流分别照射楔形铁磁合金单层的不同微区域，调节楔形铁磁合金单层不同微区域的有序度，有序度的范围为50%-93%；
不同的照射能量和时间得到的铁磁合金单层的微区域有序度是不同的，如采用照射能量40mW的激光束流照射楔形铁磁合金单层，照射时间100s，最终达到有序度为93%；采用照射能量30mW的激光束流照射楔形铁磁合金单层，照射时间60s，最终达到有序度为63%；
步骤S5：通过离子辐照对有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层的连续区域进行辐照处理，以得到铁磁合金单层薄膜，具体可以包括：
步骤S51：将有序化处理后的楔形铁磁合金单层制成长条，该长条的宽度为1μm，长度为100μm；
步骤S52：沿长条的宽度方向划分出连续的细小区域，对不同的细小区域采用不同辐照能量和时间的离子进行辐照处理；离子辐照可以实现对薄膜不同细小区域的磁性能进行改变，从而在薄膜面内形成具有不同磁各向异性能的带有成分梯度的薄膜，磁矩从垂直于薄膜面方向向薄膜面内改变，其中磁矩垂直于薄膜面的区域中磁各向异性能单调变化，优选地，离子可以为氦离子（He+）和/或镓离子（Ga+）。
其中，辐照能量为5keV，辐照时间为20s；步骤S53：经过所述辐照处理后，得到磁矩方向与薄膜的表面成70°夹角的铁磁合金单层薄膜。
实施例2
本发明实施例提供一种铁磁合金单层薄膜的制备方法，所述铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，铁磁元素为钴，非磁元素为铂，铁磁元素和非磁元素的原子比为68：32。该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：在Si（硅）衬底基片上通过磁控溅射镀膜方法并利用磁控溅射系统配合位置可调的楔形挡板附件制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，所述楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿面内方向单调变化；厚度可控体现在，根据不同需求使得楔形铁磁合金单层在不同位置具有不同的厚度；其中，所述磁控溅射镀膜方法为直流溅射工艺，Co（钴）和Pt（铂）溅射功率分别为30W和120W；制备薄膜所用的Si衬底基片大小为20mm×20mm，薄膜面内厚度变化从5nm变化至30nm，薄膜面内厚度梯度为1.25nm/mm；
步骤S3：采用高温快速退火对所述楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；具体可以包括：
步骤S31：将楔形铁磁合金单层划分成多个微区域；
步骤S32：利用单色激光器产生激光束流，光斑直径为1μm，激光束流照射在某一个微区域的部分区域；
步骤S33：控制激光束流连续移动对该某一微区域进行加热退火；
步骤S34：采用不同照射能量和时间的激光束流分别照射楔形铁磁合金单层的不同微区域，调节楔形铁磁合金单层不同微区域的有序度，有序度的范围为50%-93%；
不同的照射能量和时间得到的铁磁合金单层的微区域有序度是不同的，如采用照射能量40mW的激光束流照射楔形铁磁合金单层，照射时间100s，最终达到有序度为93%；采用照射能量30mW的激光束流照射楔形铁磁合金单层，照射时间60s，最终达到有序度为63%；
步骤S5：通过离子辐照对有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层的连续区域进行辐照处理，以得到铁磁合金单层薄膜，具体可以包括：
步骤S51：将有序化处理后的楔形铁磁合金单层制成长条，该长条的宽度为30μm，长度为300μm；
步骤S52：沿长条的宽度方向划分出连续的细小区域，对不同的细小区域采用不同辐照能量和时间的离子进行辐照处理；离子辐照可以实现对薄膜不同细小区域的磁性能进行改变，从而在薄膜面内形成具有不同磁各向异性能的带有成分梯度的薄膜，磁矩从垂直于薄膜面方向向薄膜面内改变，其中磁矩垂直于薄膜面的区域中磁各向异性能单调变化，优选地，离子可以为氦离子（He+）和/或镓离子（Ga+）。
其中，辐照能量为30keV，辐照时间为100s；步骤S53：经过所述辐照处理后，得到磁矩方向平行于薄膜的表面方向的铁磁合金单层薄膜。
以上介绍了本发明的较佳实施方式，旨在使得本发明的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本发明所附的权利要求概括的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在衬底基片上制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，所述铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，所述楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿薄膜面内方向单调变化；
所述铁磁元素为铁、钴、镍、锰、钆和铬中的一种或多种，所述非磁元素为铂、钯、铱、钽、铪、金和铑中的一种或多种；
步骤S3：采用高温快速退火对所述楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；
步骤S5：将有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层制成长条，通过离子辐照对所述长条的连续区域进行辐照处理，得到铁磁合金单层薄膜；
所述离子为He+和/或Ga+。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述铁磁元素和所述非磁元素的原子比为32：68~68：32；
所述楔形铁磁合金单层的厚度范围为2.5nm-30nm，所述薄膜面内方向单调变化的厚度差为0.1nm/mm-3nm/mm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述厚度可控的楔形铁磁合金单层通过磁控溅射镀膜方法并利用磁控溅射系统配合位置可调的楔形挡板附件制备，所述磁控溅射镀膜方法采用直流溅射工艺，溅射功率为30W-120W。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：将所述楔形铁磁合金单层划分成多个微区域；
步骤S32：利用单色激光器产生激光束流，所述激光束流照射在某一所述微区域的部分区域；
步骤S33：控制所述激光束流连续移动对某一所述微区域进行加热退火；
步骤S34：采用不同照射能量和照射时间的所述激光束流分别照射所述楔形铁磁合金单层的不同所述微区域，以调节所述楔形铁磁合金单层不同所述微区域的有序度。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述激光束流照射在所述楔形铁磁合金单层上的光斑直径为0.5μm-1.5μm，所述照射能量为4mW-40mW，所述照射时间为10s-100s，所述有序度范围为50%-93%。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S51：将有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层制成长条；
步骤S52：沿所述长条的宽度方向划分出连续的细小区域，对不同的所述细小区域采用不同辐照能量和辐照时间的离子进行辐照处理；
步骤S53：经过所述辐照处理后，得到所述铁磁合金单层薄膜。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述长条的宽度为1μm-30μm，长度为100μm-300μm。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述辐照能量为5keV-30keV，所述辐照时间为20s-100s。
9.一种采用如权利要求1-8任意一项所述制备方法制备的具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜，其特征在于：在所述铁磁合金单层薄膜中通过1mA-50mA的面内脉冲电流，所述铁磁合金单层薄膜在垂直薄膜面上的磁化方向变化至相反方向。
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