CN1588579A - 一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系及其制备方法，该钉扎体系包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一被钉扎的铁磁层以及一作为钉扎材料的反铁磁层和设于其上的保护层。其制备方法是在基片上依次沉积各层并通过真空退火得到该钉扎体系。由本发明方法制备的钉扎体系采用CrPt作为反铁磁钉扎材料，其对铁磁层有比较大的钉扎作用，更为重要的是它极大地提高了体系的热稳定性和抗腐蚀能力，而且反铁磁层和铁磁层之间的原子扩散也大大地减少。该体系制备工艺简单，材料性能稳定。

Description

一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁电子学器件中的一种关键元件：一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，这一体系可直接应用于自旋阀、磁性隧道结甚至磁性随机存储器(MRAM)中。
本发明还涉及一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系的制备方法。
背景技术
铁磁/反铁磁多层膜体系是自旋阀和磁性隧道结的基本组成部分之一，其主要功能是通过反铁磁层对铁磁层的钉扎作用，使得该铁磁层作为磁性的参考层(文献Phys.Rev.B 43，1297(1991)和IEEE CircuitsDevices Mag.18，17(2002))。从实际应用的角度，该体系对反铁磁要求是：能产生比较大的耦合强度，比较高的Blocking温度，厚度比较薄，抗腐蚀性好，电阻率比较高。常用的反铁磁的材料包括Fe2O3、NiO和CoxNi1-xO等氧化物以及Mn系的反铁磁，如FeMn，IrMn，NiMn和PtMn等(文献J.Magn.Magn.Mater.192，203(1999))。基于氧化物反铁磁材料的交换偏置系统虽然有很高的电阻率；但其钉扎场太小；FeMn和IrMn有比较大的钉扎场，但很容易被腐蚀；化学有序反铁磁相的NiMn和PtMn的钉扎场和抗腐蚀能力都基本合适，但相对钉扎场来说，矫顽力往往比较大。而且，对所有的Mn系反铁磁，Mn原子的扩散很难阻挡，它将严重地破坏自旋阀，尤其是磁性隧道结的整体性能(文献J.Appl.Phys.87，2469(2000)和J.Appl.Phys.89，6907(2000))。另外Cr0.7Al0.3(文献Appl.Phys.Lett.70，2915(1997))也被用做钉扎材料，但其钉扎场太小，不适合用在自旋阀和磁性隧道结。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，该体系引入化学有序反铁磁相的CrPt作为钉扎材料，相对于用已有的反铁磁材料(比如FeMn、IrMn、NiMn和PtMn等)制成的铁磁/反铁磁体系，用该反铁磁材料制成的铁磁/反铁磁钉扎系统具有非常好的热稳定性，优越的抗腐蚀性、高的电阻率、中等强度的交换偏置场以及比较少的原子扩散。
本发明的另一目的在于提供一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系的制备方法。
为实现上述目的，本发明一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系包括一基片和基片上依次设置的：
一缓冲层，用于诱导比较好的(111)织构的铁磁层和反铁磁CrPt层；
一铁磁层，设于缓冲层上；
一反铁磁层CrPt设于铁磁层上，以及
一用于防止铁磁和反铁磁层被氧化的保护层。
进一步地，所述的基片的材料选自硅或玻璃的一种。
进一步地，所述的缓冲层或保护层选自Ta、Cu或NiFeCr中的一种。
进一步地，所述的铁磁层选自Ni、Co、CoFe、NiFe或NiCo中的一种。
本发明提供的一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系的制备方法包含以下步骤：
(1)采用真空沉积法，在基片上依次镀上缓冲层、铁磁层、反铁磁CrPt层以及保护层；
(2)将上述步骤所获得的铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系在一平行于样品易轴方向的普通磁场强度的外加磁场下进行真空退火。
进一步地，所述步骤(1)中所采用的真空沉积法镀膜时，本底真空气压优于10-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.2～0.8Pa。
进一步地，所述步骤(2)中的退火工艺的退火温度为300～500℃、退火时间为1～20小时、本底真空优于10-3Pa。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明提供的铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，通过引入奈耳温度极其高(TN＞1300℃)的反铁磁材料CrPt作为钉扎层，使得体系的热稳定性；另外，由于Pt和Cr的化学稳定性都极强，故CrPt抗腐蚀性非常好；
2、本发明提供的铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，由于其中不含在热处理过程中极易迁移扩散的Mn元素，故铁磁层和反铁磁层间的原子扩散很少，因而可以对系统进行更高温度的热处理；
3、本发明提供的铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系制备方法，通过控制反铁磁层中Cr原子和Pt原子的相对百分含量及沉积反铁磁CrPt层的厚度，从而可以获得以比较薄的反铁磁厚度实现对铁磁层比较大的钉扎，同时其退火条件、抗腐蚀性、热稳定性以及电阻率均比较理想。
附图说明
图1为本发明的铁磁/反铁磁多层膜钉扎材料的结构；
图2为本发明实施例1的样品的结构；
图3为本发明实施例1样品品制备态和经过350℃，5小时真空退火后用振动样品磁强计测量出的磁滞回线；
图4为本发明实施例1退火样品的钉扎场Hp及矫顽力Hc对温度的依赖关系。
图面说明：图1中1-基片，2-缓冲层，3-铁磁层，4-反铁磁CrPt层和5-保护层；图2中1-基片，2-缓冲层，3-铁磁层，4-[Pt/Cr]多层膜，5-保护层。
具体实施方式：
图1为本发明铁磁/反铁磁多层膜钉扎材料的结构。该材料的结构为基片1、缓冲层2、铁磁层3、反铁磁CrPt层4、和保护层5。
实施例1：
如图2所示，铁磁/反铁磁多层膜钉扎材料的结构是：玻璃基片1，缓冲层Ta 2，其厚度为5nm；铁磁层Co0.9Fe0.13，其厚度为12nm；反铁磁层多层膜[Pt/Cr]4，其中Pt厚度为1nm，Cr厚度为0.8nm，总厚度约为30nm；以及保护层Ta 5，其厚度为5nm。上述各层厚度或成分均为真空沉积样品时或退火前的值。图3为本发明实施例1的样品制备态和经过350℃，5小时真空退火后用振动样品磁强计测量出的磁滞回线，制备态时其矫顽力约为20奥斯特，没有钉扎场，而退火后其产生了72奥斯特的钉扎场，矫顽力仅有少许的增加，值为28奥斯特，另外退火前后磁矩没有明显的变化(变化量≤6％)。图4为该退火样品的钉扎场Hp及矫顽力Hc对温度的依赖关系，在温度低于250℃时，钉扎场变化很小。系统的截至温度约为600℃，比其它的钉扎体系(J.Magn.Magn.Mater.192，203(1999)；Handbook of magnetic materials，(North-Holland，Amsterdam，1999)，Vol.15，pp.157-166.)的截至温度高150℃以上，热稳定性非常好。
实施例2：
铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系的结构依次是：基片Si 1，缓冲层(Ni0.8Fe0.2)xCr1-x2，其中0.5＜X＜0.7，其厚度为5nm；铁磁层Co0.9Fe0.13，其厚度为10nm；反铁磁层多层膜[Pt/Cr]4其中，Pt厚度为1nm，Cr厚度为0.8nm，总厚度约为30nm；以及保护层Ta 5，其厚度为5nm。上述各层厚度或成分均为真空沉积样品时或退火前的值。
实施例3：
铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系的结构依次是：基片Si1，缓冲层Ta 2，其厚度为5nm；铁磁层Co 3，其厚度为10nm；反铁磁层Cr0.5Pt0.5 4，其厚度为20nm，以及保护层Ta 5，其厚度为5nm。上述各层厚度或成分均为真空沉积样品时或退火前的值。
下面以实施例1为例子，说明本发明的铁磁/CrPt反铁磁多层膜钉扎体系的制备方法。制备Co-Fe铁磁/Pt-Cr反铁磁多层膜钉扎体系的步骤如下：首先采用真空沉积方法，如磁控溅射方法，本底真空度优于10-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.5Pa，在Si基片1上依次镀上缓冲层Ta 2(厚度为4nm)，铁磁层Co0.9Fe0.1 3(厚度为12nm)，十七个周期的多层膜[Pt(厚度为1nm)/Cr(厚度为0.8nm)]，以及保护层Ta 5(厚度为5nm)；然后将样品置于有方向平行于样品易轴的外加磁场下，磁场强度约为102～103奥斯特，且本底真空度优于10-4Pa，经过温度为350℃，5小时退火。由于系统中多层膜的Pt层和Cr层都比较薄，在退火过程中Pt层和Cr层互相扩散，从而使制备态时的[Pt/Cr]多层膜转变成为了化学有序的反铁磁相合金CrPt。经振动样品磁强计对其磁滞回线的测量(如图3所示)和对其钉扎场Hp及矫顽力Hc对温度依赖性(如图4所示)的测量，证明该材料具有比较大的各向异性和非常好的热稳定性。

Claims (7)

1、一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，其特征在于，包括一基片和基片上依次设置的：
一缓冲层，用于诱导比较好的(111)织构的铁磁层和反铁磁CrPt层；
一铁磁层，设于缓冲层上；
一反铁磁层CrPt设于铁磁层上，以及
一用于防止铁磁和反铁磁层被氧化的保护层。
2、根据权利要求1所述的一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，其特征在于，所述的基片的材料选自硅或玻璃的一种。
3、根据权利要求1所述的一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，其特征在于，所述的缓冲层或保护层选自Ta、Cu或NiFeCr的一种。
4、根据权利要求1所述的一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，其特征在于，所述的铁磁层选自Ni、Co、CoFe、NiFe或NiCo的一种。
5、一种制备权利要求1所述的铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)采用真空沉积法，在基片上依次镀上缓冲层、铁磁层、反铁磁CrPt层以及保护层；
(2)将上述步骤所获得的铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系在一平行于样品易轴方向的普通磁场强度的外加磁场下进行真空退火。
6、根据权利要求5所述的一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，其特征在于，所述步骤(1)中所采用的真空沉积法镀膜时，本底真空气压优于10-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.2～0.8Pa。
7、根据权利要求5所述的一种铁磁/反铁磁多层膜钉扎体系，其特征在于，所述步骤(2)中的退火工艺的退火温度为300～500℃、退火时间为1～20小时、本底真空优于10-3Pa。
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