JP3593761B2 - 酸化物磁性体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は, Mn系酸化物磁性体の磁気抵抗変化における外部飽和磁場(Hs )を低減させるためのMn系酸化物磁性体およびその製造方法に関する。
【0002】
高密度磁気記録の読み出し用の磁気抵抗ヘッド(MRヘッド)としてスピンバルブ, 金属人工格子, グラニュラー, Mn系酸化物磁性体などが有望視されている。このなかでMn系酸化物磁性体は他の物質と比較してMR比が室温で10倍程にもなる。しかし, 磁気抵抗変化に対し外部飽和磁場(Hs)が6T(Tesla) 程になり高磁場下での読み出しとなってしまう。よって他の物質のように0.1 T程まで低減させる必要がある。
【0003】
【従来の技術】
磁気抵抗変化を示す強磁性体のペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体の製造方法としては, 薄膜の場合は, Mn系酸化物磁性体と格子定数が類似のMgO,Sr Ti O3 など誘電単結晶基板上にスパッタ, レーザ蒸着などの方法を用いて堆積させることにより作製する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術のようにMn系酸化物磁性体の単膜では磁気抵抗変化に対し外部飽和磁場(Hs)が6T程と大きく, 実用化には困難である。
【0005】
本発明の目的は磁気抵抗変化における外部飽和磁場(Hs)を低減できるMn系酸化物磁性体およびその製造方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決は,
1)ペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体膜の表面に、同型の母相Mn系酸化物反強磁性体膜を
形成し、前記Mn系酸化物磁性体膜の前記反強磁性体膜との界面から数原子層がピン層であり、残りのMn系酸化物磁性体膜がフリー層からなる酸化物磁性体,あるいは
2)前記1)記載のペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体膜の下側にも反強磁性体膜を形成してなる酸化物磁性体,あるいは
3) ペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体膜の表面に、同型の母相Mn系酸化物反強磁性体膜を積層し、熱処理することにより前記Mn系酸化物磁性体膜の前記反強磁性体膜との界面から数原子層にピン層、残りのMn系酸化物磁性体膜にフリー層を形成することを特徴とする酸化物磁性体の製造方法により達成される。
【0007】
次に, ペロブスカイト型Mn系酸化物の一般的な性質を説明する。
ペロブスカイト型Mn系酸化物LaMnO3 はキャリア電子がなく反強磁性体である。この状態では,Mn原子は価数が3+のMn3+イオンとなっており, Mn原子のd電子4つの内3つはエネルギーの低い準位(局在スピン準位)に入り,束縛状態のスピンであるため局在スピンと呼ばれている。残りの1つの電子はエネルギーが高い準位(伝導電子準位)に入り伝導電子となり得るが,各Mn原子に1個存在するので,スピンが互いに逆向きの反強磁性状態となり,伝導が不可能となる。また,各Mn原子の局在スピンと伝導電子はフント結合と呼ばれる交換結合が働いており,局在スピンのスピン方向と伝導電子のスピン方向は同じとなる。
【0008】
このLaMnO3 を母相としてLaにSrをドープ(固溶)していくとキャリア電子が出現し,強磁性体となる。La3+に対してSr2+と価数が1つ少ないため,Srのドープ量に比例してMn原子の価数が4+のMn4+イオンが出現してくる。Mn4+イオンはMn3+イオンに対して伝導電子が1個少なくなった局在スピンのみの状態である。このとき,Mn原子は,価数が3+のMn3+イオンと価数が4+のMn4+イオンが混在しており,混合原子価と呼ばれている。
【0009】
他方,Srを全ドープしたSrMnO3 もキャリア電子がなく反強磁性体である。これを他方の母相と考えてLaをドープしてキャリア電子を出現させて強磁性体を得ることができる。
【0010】
Mn系酸化物磁性体上に反強磁性体を形成することにより,Mn系酸化物磁性体は界面から数原子層(単位格子の大きさは3.87Å) がピン層となり,残りのピンされていない層がフリー層となる。
【0011】
ペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体の磁気抵抗変化出現の起源はある角度をなすMn3+イオンの局在スピンとMn4+イオン局在スピンが磁場の印加により平行となり, Mn3+イオンの3d電子が移動しやすくなることにより抵抗が小さくなることによるものである。
【0012】
単膜では局在スピン同士が平行になるのが困難であるため外部飽和磁場が6T程を必要とする。従って, スピンバルブのようにあらかじめ数原子層にわたって磁場印加方向に局在スピンをピンさせておき, 残りのピンされていないフリー層を磁場の印加により磁場印加方向へ向けさせることで局在スピン同士が平行になることを容易にし, 外部飽和磁場(Hs)を低減させることが可能となる。
【0013】
上記の方法において, 局在スピンをピンさせる方法は, Mn系酸化物磁性体の表面層として反強磁性体を積層することにより得ることができる。また, 反強磁性体として, 同型の母相Mn系酸化物反強磁性体を用いることにより, 良質な積層が可能となる。
【0014】
さらにMn系酸化物磁性体の下側の層に反強磁性体を形成することによりピンさせる効果を高めることができる。一方, 混合原子価のそれぞれの母相Mn系酸化物反強磁性体を積層し, 熱処理することにより界面層に混合原子価Mn系酸化物磁性体を形成する製造方法により,堆積回数を減少することができる。
【0015】
上記のように,本発明によれば, 強磁性体であるペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体の表面層として反強磁性体を積層し, 磁場印加方向に局在スピンをピンさせることにより局在スピン同士が平行になることを容易し, 低Hs化が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下, 本発明の実施の形態を図1を参照して説明する。
図1のように単結晶MgO基板1上に強磁性体のペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性薄膜2としてLa0.7 Sr0.3 MnO3 膜が堆積され, さらにその表面層として同型の母相Mn系酸化物反強磁性薄膜3としてLaMnO3 膜を有する作製をしている。
【0017】
次にこの積層膜の作製方法について説明する。
(a)マルチターゲットが可能なイオンビームスパッ夕装置において, La0.7 Sr0.3 MnO3 のターゲット及びLaMnO3 のターゲットを設置する。
【0018】
La0.7 Sr0.3 MnO3 のターゲットは,La2 O3 ,Sr(CO)3 , MnO2 の,LaMnO3 のターゲットはLa2 O3 ,MnO2 の粉末を用いて化学量論的組成に混合し,焼成することにより作製した上記Mn系酸化物を直径4 〜5 インチ, 厚さ 2〜5 mmの円板上に加圧整形し,1400℃で酸素中で12時間の熱処理をして焼結したものを使用する。
【0019】
(b)単結晶MgO基板1上にスパッタ法によりLa0.7 Sr0.3 MnO3 からなる強磁性体のペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性薄膜2を堆積する。
【0020】
(c)ターゲットをLaMnO3 に変え, 同様にLaMnO3 からなる同型の母相Mn系酸化物反強磁性薄膜3をLa0.7 Sr0.3 MnO3 膜上に堆積する。スパッタ条件は以下のようである。
【0021】
装置: イオンビームスパッタ(500 V, 50 mA)
スパッタガス: Ar:O2 =1:1
ガス圧力: 2×10−4 Torr
基板温度: La0.7 Sr0.3 MnO3 の場合は 700℃
LaMnO3 の場合は 650℃
成長速度: 0.6 Å/s
膜厚: 1000Å
また, (b)の時, 最初に母相Mn系酸化物反強磁性薄膜としてLaMnO3 膜を堆積し, 次いでLa0.7 Sr0.3 MnO3 からなる強磁性体のペロブスカイト型Mn系酸化物磁性薄膜 2を堆積し,更にLaMnO3 からなるMn系酸化物反強磁性薄膜 3を堆積した場合は請求項3の実施の形態となる。
【0022】
実施の形態4としては, 図3において,一方の母相Mn系酸化物反強磁性薄膜LaMnO3 を堆積し, 他方の母相Mn系酸化物反強磁性薄膜SrMnO3 を積層した後, 熱処理することにより,その界面にペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性薄膜としてLa0.7 Sr0.3 MnO3 膜を製造する。
【0023】
この場合, 600℃, 30分の熱処理により, 界面に混合原子価Mn系酸化物が形成される。LaMnO3 とSrMnO3 の膜厚が同一の場合は等拡散度により La0.5 Sr0.5 MnO3 が形成されるが,膜厚を
LaMnO3 :SrMnO3 =1:1.8475 とすると,Laの方が拡散度がSrの0.7/0.3 倍となり, La0.7 Sr0.3 MnO3 が選択的に形成される。
【0024】
製造した積層膜の磁気抵抗変化について図2を参照して説明する。
Mn系酸化物磁性体の結晶構造は,磁性に寄与するMnと酸素からなる磁性層Mn−層と,磁性に寄与しないでキャリアの調整に寄与する非磁性層La−O層またはSr−O層の積層構造と見ることができる。MnはMn4+通常であり, Srがドープされた部分がMn3+である。
【0025】
製造した積層膜に対して後に印加する磁場と同方向に飽和磁場まで印加し, La0.7 Sr0.3 MnO3 の強磁性体のすべてのMnイオン局在スピンを磁場方向に向けさせる。その後, 磁場をゼロにすると図2(a)のようにMn系酸化物強磁性薄膜2は金属人工格子のように磁性層のMn−O層4と非磁性層の La(Sr)−O層5が交互に積層した構造を原子オーダで有するため, 反強磁性層/強磁性層の界面において交換結合が働き, 反強磁性層近傍の数原子層にわたってMnイオン局在スピンは全磁場方向にピンされた状態となる。
【0026】
基板付近の層は交換結合力薄寿くなり局在スピンがある程度傾いた状態(スピン同士が非平行)となる。この状態ではMnイオンの3d電子が移動しにくく抵抗が大きい。
【0027】
ここで,磁場を印加させると図2(b)のように傾いていた局在スピンが印加磁場方向に磁化され, 3d電子が移動し易くなり抵抗が小さくなる。反強磁性薄膜がない状態ではスピンの熱的揺らぎなどにより, 印加磁場方向へ磁化する応答が緩やかとなる。そこで予め局在スピンをピンさせておくことにより, 反強磁性薄膜がない場合においてある程度磁場が印加された状態からの出発となり低Hs化が可能となる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば, 強磁性体であるペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体の表面層としてに反強磁性体を積層し, 低Hs化が可能となることによって, 磁気抵抗ヘッドに応用してその高感度化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のMn系酸化物磁性体の断面説明図
【図2】本発明のMn系酸化物磁性体の磁気抵抗変化に関する説明図
【図3】本発明の実施の形態4の説明図
【符号の説明】
1 単結晶MgO基板
2 Mn系酸化物強磁性薄膜(La0.7 Sr0.3 MnO3 )
3 Mn系酸化物反強磁性薄膜(LaMnO3 )
4 磁性Mn−O層
5 非磁性La(Sr)−O層
Claims (3)
- ペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体膜の表面に、
同型の母相Mn系酸化物反強磁性体膜を形成し、
前記Mn系酸化物磁性体膜の前記反強磁性体膜との界面から数原子層がピン層であり、残りのMn系酸化物磁性体膜がフリー層から
なることを特徴とする酸化物磁性体。 - 請求項1記載のペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁
性体膜の下側にも反強磁性体膜を形成してなることを特徴とする酸化物磁性体。 - ペロブスカイト型混合原子価Mn系酸化物磁性体膜の表面に、
同型の母相Mn系酸化物反強磁性体膜を積層し、
熱処理することにより前記Mn系酸化物磁性体膜の前記反強磁性体膜との界面から数原子層にピン層、残りのMn系酸化物磁性体膜にフリー層を形成することを特徴とする酸化物磁性体の製造方法。
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