CN1252742C

CN1252742C - 一种磁性多层膜中实现垂直各向异性的方法

Info

Publication number: CN1252742C
Application number: CN 02111172
Authority: CN
Inventors: 周仕明; 袁淑娟; 王磊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: CN1385865A

Abstract

本发明是一种用铁磁/反铁磁多层膜中垂直交换偏置产生垂直各向异性的新方法。首先用真空镀膜设备在衬底上制备缓冲层，然后在缓冲层上制备铁磁/反铁磁多层膜，最后在多层膜上覆盖一层保护层。完成制备后，在外磁场中将多层膜样品从高于反铁磁层的奈尔温度冷却到低温，其中外磁场的方向平行于膜面的法线方向，而且足够大使得铁磁层能够在垂直方向饱和磁化。用铁磁/反铁磁多层膜中的垂直交换偏置产生垂直各向异性，这对高密度垂直磁记录及磁光存储等信息技术领域具有重大的应用价值。

Description

一种磁性多层膜中实现垂直各向异性的方法

技术领域

本发明属磁电子学领域，具体涉及一种磁性多层膜中实现垂直各向异性的方法。

技术背景

交换偏置，是指铁磁(FM)/反铁磁(AFM)双层膜系统经过磁场冷却以后，矫顽力Hc明显得到增强，同时磁滞回线偏离了原点。FM/AFM双层膜交换偏置是高密度磁记录读出头等巨磁电阻磁场传感器、及磁随机存储单元(MRAM)等磁电子学器件中的核心结构。在上述应用中，人们利用铁磁/反铁磁双层膜的平行交换偏置。事实上，不但可以利用平行交换偏置实现面内各向异性的增强，而且也可以利用垂直交换偏置(指场冷和测量过程中外磁场都垂直于膜面)提高垂直膜的垂直各向异性。尽管人们还没有尝试利用交换偏置使面内膜成为垂直膜，但是这项工作可能将对高密度信息存储领域具有非常重要的意义。

垂直各向异性是高密度磁光存储及高密度垂直磁记录介质的必要条件之一。过去产生垂直各向异性有以下几种方法：(1)一些重稀土金属合金薄膜呈现，如Gd-Fe，Tb-Fe-Co等；(2)Co-Pt，Fe-Pt，Co-Pd，Fe-Pd等以Pd和Pt为基的合金薄膜也有垂直各向异性；(3)利用形状各向异性在磁记录介质中实现垂直各向异性；(4)另一种产生垂直各向异性的方法是利用磁性/非磁性多层膜中的界面各向异性。上述各种方法都有一个共同的缺陷，只有一些特定的元素组合才能实现垂直各向异性，有很大的局限性。

由于垂直各向异性是实现高密度垂直磁记录和磁光存储的必要条件，因此寻找实现磁性多层膜中的垂直各向异性的新方法，将在高密度垂直磁记录及磁光存储领域具有重要的潜在应用价值，有助于推动信息存储等高科技领域的发展，并有可能产生巨大的经济效应。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够在磁性多层膜中实现垂直各向异性的方法，并克服上述已有方法的缺陷。

本发明提出的磁性多层膜中实现垂直各向异性的方法是利用铁磁/反铁磁多层膜中的垂直交换偏置实现垂直各向异性，具体步骤如下：

1、在玻璃或硅等衬底上，用真空镀膜方法交替沉积铁磁/反铁磁层构成调制结构多层膜，膜层的周期为5-100，铁磁层的厚度为0.1-10纳米，反铁磁层厚度为1-99纳米不等。

2、再在多层膜上覆盖一层抗氧化层，以便对多层膜进行保护。该抗氧化保护层材料可以为Cu、SiO₂、Au、Ta等。

3、然后对多层膜样品进行磁场冷却，其中外磁场的方向平行于膜面的法线方向，从高于反铁磁层的奈尔温度降到低于反铁磁层的奈尔温度，外加磁场需要足够大，使得铁磁层的磁化强度能够沿法线方向饱和磁化。

沉积多层膜之前，在玻璃或硅等衬底上还可以先沉积一层厚度为1--99纳米的缓冲层。该缓冲层材料可以是各种材料，只要使得反铁磁层能够实现交换偏置。

本发明中，铁磁层可以是Fe、Co、Ni、稀土金属及其合金，反铁磁层可以是各种能够存在交换偏置的反铁磁材料；缓冲层材料可以是Cu、Ta、Cr等，缓冲层的选择主要依反磁层材料而定。真空镀膜方法可以是通常的磁控溅射方法等。

本发明利用铁磁/反铁磁多层膜的垂直交换偏置，使得原本的面内膜变成了垂直膜，它适合所有铁磁/反铁磁体系，适用所有的铁磁性材料，具有非常大的选择性，将可以弥补以往方法上的不足和缺陷，因此这一发明有了本质的区别和质的飞跃。这将对高密度垂直磁记录及磁光存储等信息存储领域具有重大的潜在应用价值。

附图说明

图1、描述了[Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/CoO(4.0nm)]₄₀多层膜经过磁场冷却后在低温及室温的磁滞回线。

图2、描述了[Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/CoO(4.0nm)]₄₀多层膜经过磁场冷却后矫顽力随着温度的变化而变化。

图3、描述了[Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/Fe₅₀Mn₅₀(4.0nm)]₄₀多层膜经过磁场冷却后在不同温度下的磁滞回线。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1，Fe₁₉Ni₈₁/CoO多层膜

磁铁层采用Fe、Ni合金Fe₁₉Ni₈₁反磁铁层采用CoO材料，缓冲层材料采用Cu，衬底材料采用Si片，抗氧化层采用Cu材料，用计算机控制的多功能磁控溅射设备制备Fe₁₉Ni₈₁/CoO，其中Fe₁₉Ni₈₁层厚度为2.0nm，CoO层厚度为4.0nm，周期数为40，缓冲层厚度为30.0nm。样品的具体结构为Si/Cu(30nm)/[Fe₁₉Ni₈₁/CoO]₄₀/Fe₁₉Ni₈₁/Cu(30.0nm)。将多层膜样品放在外场中，温度从室温降到低温进行场冷，其中外场的大小为790kA/m，方向平行于膜面的法线方向。用超导量子干涉器(SQUID)测量垂直于膜面的磁滞回线。如图(1)所示，室温时样品垂直方向的磁滞回线非常斜，剩磁比为零。这表明在室温时样品为面内膜。在低温时，垂直方向的磁滞回线发生了很大变化，磁滞回线的剩磁比和矫顽力均不断地增加。这表明多层膜的垂直各向异性能不断地增加，非常接近垂直膜。图(2)给出了Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/CoO(4.0nm)多层膜在不同温度下垂直方向的矫顽力随着温度的降低而增加。这说明在Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/CoO(4.0nm)多层膜中垂直方向的磁场冷却导致了垂直各向异性。

实施例2，Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/Fe₅₀Mn₅₀(3.0nm)多层膜

磁铁层材料采用Fe、Ni合金Fe₁₉Ni₈₁，反磁铁层材料采用Fe、Mn合金Fe₅₀Mn₅₀，缓冲层采用Cu，衬底采用Si片，抗氧化层采用Cu。用计算机控制的多功能磁控溅射设备制备Fe₁₉Ni₈₁/Fe₅₀Mn₅₀多层膜，其中Fe₁₉Ni₈₁层厚度为2.0nm，FeMn层厚度为4.0nm，周期数为40，缓冲层厚度为30.0nm。样品的具体结构为Si/Cu(30nm)/[Fe₁₉Ni₈₁/Fe₅₀Mn₅₀]₄₀/Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/Cu(30.0nm)。将Fe₁₉Ni₈₁/Fe₅₀Mn₅₀多层膜样品放在外场中温度从室温降到低温进行场冷，外场的大小为790kA/m，方向平行于膜面的法线方向。用超导量子干涉器(SQUID)测量垂直于膜面的磁滞回线。图(3)分别给出Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/Fe₅₀Mn₅₀(3.0nm)多层膜在不同温度下垂直方向的磁滞回线。垂直方向的剩磁比和矫顽力随温度的降低而增强。这说明在Fe₁₉Ni₈₁(2.0nm)/Fe₅₀Mn₅₀(4.0nm)多层膜中垂直方向的磁场冷却导致了垂直各向异性。说明垂直各向异性来源于垂直交换偏置。

Claims

1、一种在磁性多层膜中实现垂直各向异性的方法，其特征在于利用铁磁/反铁磁多层膜中的垂直交换偏置实现垂直各向异性，具体步骤如下：在玻璃或硅的衬底上，用真空镀膜方法交替沉积铁磁/反铁磁层构成调制结构多层膜，膜层的周期数为5-100，铁磁层的厚度为0.1--10纳米，反铁磁层厚度为1-99纳米；再在多层膜上覆盖一层抗氧化层；然后对多层膜样品进行磁场冷却，其中外磁场的方向平行于膜面的法线方向，从高于反铁磁层的奈尔温度降到低于反铁磁层的奈尔温度，外加磁场需使得铁磁层的磁化强度能够沿法线方向饱和磁化；这里，铁磁层由Fe、Co、Ni元素中的至少两种组成，反铁磁层由Fe₅₀Mn₅₀、CoO中一种组成，抗氧化层由Cu、SiO₂、Au、Ta中的一种组成。

2、根据权利要求1所述的在磁性多层膜中实现垂直各向异性的方法，其特征在于在沉积多层膜之前，在衬底上先沉积一层厚度为1-99纳米的缓冲层，缓冲层采用Cu、Au、Ag、Ta及Cr之一种。