CN115602411A - 交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、种子层、人工合成反铁磁层和覆盖层；其中，人工合成反铁磁层由两个具有垂直磁各向异性的复合磁性层中间夹一层非磁性的隔离层构成。本发明通过调节中间层隔离厚度以及磁性层参数，就可以改变两铁磁层之间的反铁磁耦合强度，从而实现对p‑SV交换偏置场的连续调控。本发明涉及磁性薄膜材料技术领域，本发明决现有技术中p‑SV交换偏置场不易连续调控的问题。
Description
技术领域
本发明涉及磁性薄膜材料技术领域，具体涉及交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜。
背景技术
传感器技术是一项迅猛发展起来的高新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成了现代社会的信息产业，磁传感器是种类繁多的传感器中的一种，它能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息，广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域，磁传感器是建立物联网技术平台的重要元件，磁传感器的发展面临着重大机遇，随着科技进步和信息技术的发展，人们对磁传感器的尺寸、灵敏度、热稳定性及功耗等提出了越来越高的要求。
目前，广泛应用的磁传感器主要是基于电磁感应原理、霍尔效应及磁电阻效应等；其中，基于磁电阻效应的传感器由于其高灵敏度、小体积、低功耗及易集成等特点正在取代传统的磁传感器，相比于其他类型的磁传感器，基于巨磁电阻(GMR)效应的自旋阀传感器芯片拥有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高响应频率和高灵敏度特性，使其将会成为未来竞争的制高点，自旋阀根据磁性薄膜的易难轴方向或磁晶各向异性不同，可分为面内磁各向异性(i-SV)和垂直磁各向异性(p-SV)，当器件尺寸小于1m时，i-SV中面内磁化膜层的边缘容易形成磁涡流，会极大地降低器件信噪比，甚至导致信息丢失，于是，为了保证传感器能稳定工作，面内磁化膜必须具有大的长宽比k>2，但是，大长宽比的MTJ器件十分不利于传感器的微型化趋势；而p-SV在工作时，则不依赖于器件形状，能兼顾高信噪比和微型化应用的需要，并且具有以下优点：(1)能形成更小的记录单元，从而能大大减小传感器的尺寸，满足其微型化趋势；(2)对热扰动有更好的稳定性；(3)能够有效的消除磁性层内的涡旋式转动对面积和形状的限制；(4)能降低传感器的功耗。目前，p-SV一般采用单层反铁磁材料作为钉扎层，然而，此类反铁磁材料的交换偏置不易调控，大大限制了自旋阀的后期应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，以解决现有技术中p-SV交换偏置场不易连续调控的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、种子层、人工合成反铁磁层和覆盖层；其中，人工合成反铁磁层由两个具有垂直磁各向异性的复合磁性层中间夹一层非磁性的隔离层构成，所述人工合成反铁磁层结构为[Co/Ni]N1/隔离层/[Ni/Co]N2，隔离层下面的复合磁性层中，Co层在下，Ni层在上，[Ni/Co]的周期数N2为1-6；隔离层上面的复合磁性层中，Ni层在下，Co层在上，[Co/Ni]的周期数N1为1-6。
本发明的有益效果为：垂直各向异性人工合成反铁磁结构是由两部分垂直磁性层夹着一层非磁性金属层构成，在垂直磁隧道结中可以代替传统的单层反铁磁材料-铁磁材料的钉扎关系，直接作为p-SV中的参考层，由于垂直各向异性人工合成反铁磁结构的两磁性层磁矩方向相反而相互抵消，净磁矩非常小甚至接近于零，故只要层间耦合不被克服，磁矩很难在外磁场影响下翻转，可以使p-SV达到非常大的翻转场差，而其所产生的散磁场对自由层的影响也可以忽略不计，从而避免了单参考层自旋阀中静磁耦合使自由层回线偏离原点的问题，通过调节中间层隔离厚度以及磁性层参数，就可以改变两铁磁层之间的反铁磁耦合强度，从而实现对p-SV交换偏置场的连续调控。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，[Ni/Co]的周期数N2为1-3，[Co/Ni]的周期数N1为1-3。
进一步，人工合成反铁磁层中，Co层厚度为0.25-0.35nm，Ni层的厚度为0.35-1.25nm。
进一步，Ni层的厚度为0.35-0.5nm。
进一步，隔离层材质为金属Ir，隔离层厚度为0.75-10.5nm。
进一步，隔离层材质为金属Pt、W、Hf、Ta、Ru、Rh或Pd，隔离层厚度为0.75-10.5nm。
进一步，隔离层厚度为1-2nm。
进一步，衬底为硅基衬底或玻璃衬底。
进一步，缓冲层材质为金属Ta，缓冲层厚度为4.5-5.5nm。
进一步，种子层材质为金属Pt，种子层厚度为7.5-8.5nm。
进一步，覆盖层材质为金属Ta，覆盖层厚度为1-2nm。
本发明还提供上述交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜在制备磁性薄膜材料方面的应用。
本发明具有以下有益效果：
1、改变非磁性隔离层厚度能够引起临近磁性层的巡游电子局域自旋耦合，使得交换耦合场强度产生振荡式衰减的RKKY交换作用，从而达到调控交换偏置场的目的。
2、Co/Ni周期不断的重复数堆积时会导致磁耦合界面数增加，其界面垂直各向异性能也会相应的叠加，使得两个复合磁性层各自的有效各向异性常数发生变化，最终实现对调控样品交换耦合场的连续调控。
3、改变Ni层厚度会影响隔离层与Co层之间的磁近邻效应，使得它们之间的3d-5d自旋轨道耦合作用发生变化，并影响样品的交换耦合场。
4、由于交换偏置场在较大磁场范围内连续可调，基于其可研发出多应用场景的磁开关传感器和电流传感器等电子器件。磁开关传感器优势在于：可根据实际应用场景，不同大小开关场区间传感器均可实现开关功能，从而使器件对环境的依赖性更小。相似地，现实生活中电流传感器对电子线路电流检测时，由于不同强弱电流可产生的磁场大小在不同区间，应用于小电流检测的电流传感器在大电流环境中无法实现可靠检测功能，使器件选型需与被测电流范围完全匹配。而基于交换偏执场连续可调的电流传感器可实现分段可检测功能，在实际应用中可选择性强。
附图说明
图1为本发明多层膜的结构示意图；
图2为实施例1和实施例4-16的多层膜的交换偏置场曲线图；
图3为实施例1和实施例17-19的多层膜的交换偏置场曲线图；
图4为实施例1和实施例20-24的多层膜的交换偏置场曲线图；
图5为实施例1和实施例25-28的多层膜的交换偏置场曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，由下而上依次包括：Si/SiO2衬底、5nm的Ta缓冲层、8nm的Pt种子层、0.3nm的Co层、0.5nm的Ni层([Ni/Co]的周期数N2为3)、1.5nm的Ir隔离层、0.5nm的Ni层、0.3nm的Co层([Co/Ni]的周期数N1为3)和1.5nm的Ta覆盖层。(结构见图1)
实施例2：
交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，由下而上依次包括：Si/SiO2衬底、4.5nm的Ta缓冲层、7.5nm的Pt种子层、0.25nm的Co层、0.35nm的Ni层([Ni/Co]的周期数N2为1)、1nm的Pt隔离层、0.35nm的Ni层、0.25nm的Co层([Co/Ni]的周期数N1为1)和1nm的Ta覆盖层。
实施例3：
交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，由下而上依次包括：Si/SiO2衬底、5.5nm的Ta缓冲层、8.5nm的Pt种子层、0.35nm的Co层、1.25nm的Ni层([Ni/Co]的周期数N2为6)、2nm的Rh隔离层、1.25nm的Ni层、0.35nm的Co层([Co/Ni]的周期数N1为6)和2nm的Ta覆盖层。
实施例4-16：
交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，Ir隔离层厚度分别为0.75nm、2nm、3nm、4nm、4.5nm、5nm、6nm、6.5nm、7.5nm、8.5nm、9nm、10nm、10.5nm，其余同实施例1。
实施例17-19：
交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，周期数N2＝N1，分别为2、4和5，其余同实施例1。
实施例20-24：
交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，周期数N1＝3，周期数N2为1、2、4、5和6，其余同实施例1。
实施例25-28：
交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，Ni层厚度为0.35nm、0.75nm、1nm、1.25nm，其余同实施例1。
试验例
一、将实施例1和实施例4-16的多层膜采用振动样品磁强计(VSM)进行交换偏置场(Hex)的测量，结果见图2。由图2可知，多层膜的交换偏置场大小随隔离层厚度的变化而变化，实施例1制得的多层膜隔离层Ir的厚度为1.5nm时，交换偏置场可达600Oe。
二、将实施例1和实施例17-19的多层膜采用振动样品磁强计(VSM)进行交换偏置场(Hex)的测量，结果见图3。由图3可知，多层膜的交换偏置场大小随周期数N2和N1的增大而降低，实施例17制得的多层膜周期数N2和N1为2时，交换偏置场可达1650Oe。
三、将实施例1和实施例20-24的多层膜采用振动样品磁强计(VSM)进行交换偏置场(Hex)的测量，结果见图4。由图4可知，多层膜的交换偏置场大小随周期数N2的增大而降低，实施例20制得的多层膜周期数N2为1时，交换偏置场可达2600Oe。
四、将实施例1和实施例25-28的多层膜采用振动样品磁强计(VSM)进行交换偏置场(Hex)的测量，结果见图5。由图5可知，多层膜的交换偏置场大小随Ni层厚度的增加而呈现先降低后增加的趋势，实施例25的Ni层厚度为0.35nm，交换偏置场可达690Oe。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、种子层、人工合成反铁磁层和覆盖层；其中，人工合成反铁磁层由两个具有垂直磁各向异性的复合磁性层中间夹一层非磁性的隔离层构成，所述人工合成反铁磁层结构为[Co/Ni]N1/隔离层/[Ni/Co]N2，隔离层下面的复合磁性层中，Co层在下，Ni层在上，[Ni/Co]的周期数N2为1-6；隔离层上面的复合磁性层中，Ni层在下，Co层在上，[Co/Ni]的周期数N1为1-6。
2.根据权利要求1所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，所述人工合成反铁磁层中，Co层厚度为0.25-0.35nm，Ni层的厚度为0.35-1.25nm。
3.根据权利要求1所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，所述隔离层材质为金属Ir，隔离层厚度为0.75-10.5nm。
4.根据权利要求1所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，所述隔离层材质为金属Pt、W、Hf、Ta、Ru、Rh或Pd制成，隔离层厚度为0.75-10.5nm。
5.根据权利要求1所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，所述衬底为硅基衬底或玻璃衬底。
6.根据权利要求1所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，所述缓冲层材质为金属Ta，缓冲层厚度为4.5-5.5nm。
7.根据权利要求1所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，所述种子层材质为金属Pt，种子层厚度为7.5-8.5nm。
8.根据权利要求1所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜，其特征在于，所述覆盖层材质为金属Ta，覆盖层厚度为1-2nm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的交换偏置场可连续调控的垂直各向异性人工合成反铁磁耦合多层膜在制备磁性薄膜材料方面的应用。
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|---|---|
| NL2035749A (en) | 2024-03-14 |
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