丁志謙,吳磊磊,王映棋,周 云,杜建華,張冬芹,焦志偉

(中國計(jì)量大學(xué) 理學(xué)院,浙江 杭州 310018)

磁性金屬薄膜具有復(fù)雜而深刻的物理機(jī)制,其中具有交換偏置效應(yīng)的多層膜是重要的磁性功能材料之一。交換偏置(EB)效應(yīng)最早是在1956年由Meiklejohn和Bean在外層覆蓋有CoO的Co顆粒中發(fā)現(xiàn)[1]。自從交換偏置效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來,它在磁性傳感器[2]、磁記錄讀頭和磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等儀器中發(fā)揮著不可或缺的作用。一般來說,當(dāng)含有鐵磁(FM)/反鐵磁(AFM)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在高于AFM奈爾溫度以上的磁場(chǎng)中冷卻時(shí),FM層的磁滯回線將沿磁場(chǎng)方向偏離原點(diǎn),這種現(xiàn)象稱為交換偏置[3]。在界面發(fā)生交換偏置時(shí),反鐵磁層起主導(dǎo)作用,它的厚度、結(jié)構(gòu)取向、晶粒大小將會(huì)直接影響交換偏置的強(qiáng)度。盡管到目前為止世界各國的科研工作者已經(jīng)對(duì)交換偏置進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究[4-6],可是關(guān)于鐵磁與反鐵磁界面處的耦合調(diào)節(jié)方式和交換偏置的微觀起源物理機(jī)制仍然有待進(jìn)一步的研究。

在生長FM/AFM時(shí)通常有兩種結(jié)構(gòu),一種是頂部釘扎的交換偏置薄膜,另一種是底部釘扎的交換偏置薄膜,AFM層為釘扎層,FM層為被釘扎層。通過界面的耦合交換作用,反鐵磁層的單軸各向異性會(huì)作用于鐵磁層,使鐵磁層的磁滯回線中心產(chǎn)生偏移。目前已經(jīng)有一系列有關(guān)雙層膜和三層膜結(jié)構(gòu)的FM/AFM界面耦合效應(yīng)的研究,比如Mohanan等人[7]的研究表明通過激光脈沖輻照能提升NiMn的(111)織構(gòu)和橫向晶粒尺寸,從而提高樣品的交換偏置場(chǎng)。Gritsenko等人[8]報(bào)道了NiFe/IrMn/NiFe三層膜磁性與鎳含量的關(guān)系,他們發(fā)現(xiàn)高鎳合金和低鎳合金的FM和AFM界面的形態(tài)特征會(huì)影響鐵磁層磁化反轉(zhuǎn)的順序。此外Jiao等人[9]研究了NiFe/NiMn/NiFe三層膜的晶體結(jié)構(gòu)和磁性,結(jié)果表明頂部鐵磁層的存在會(huì)抑制釘扎未補(bǔ)償磁矩的生成,從而使交換偏置效應(yīng)減弱。Svalov[10]等人認(rèn)為在FeNi/FeMn/FeNi結(jié)構(gòu)中,頂層和底層兩個(gè)交換偏置系統(tǒng)間接相互作用,共同影響場(chǎng)冷期間反鐵磁層的自旋結(jié)構(gòu)。一般來說,當(dāng)反鐵磁層厚度達(dá)到特定值之后,可以在薄膜中觀察到明顯的交換偏置效應(yīng),但是隨著界面層數(shù)的增加,與雙層膜相比三層膜的交換偏置大小既有升高也有降低[11-12]。

本文主要研究了上下層同時(shí)釘扎時(shí)Ni50Mn50/Ni81Fe19/Ni50Mn50三層膜的交換偏置效應(yīng),通過改變鐵磁層和反鐵磁層厚度來研究釘扎作用對(duì)交換偏置的調(diào)制效果。

1 實(shí)驗(yàn)方法

通過直流磁控濺射的方法在(110)方向的硅片上沉積了NiFe(tnm)/NiMn(10 nm),NiMn(10 nm)/NiFe(tnm)/NiMn(10 nm),NiMn(tnm)/NiFe(10 nm)/NiMn(10 nm),NiMn(10 nm)/NiFe(10 nm)/NiMn(tnm)的薄膜,預(yù)先在硅片上沉積5 nm的Ta作為緩沖層,最后在薄膜的表面覆蓋5 nm的Ta保護(hù)層來防止樣品氧化。NiFe、NiMn、Ta的濺射功率分別為35 W、30 W和30 W,濺射時(shí)的背景壓強(qiáng)不超過6×10-4Pa,氬氣壓力為0.4 Pa,濺射時(shí)外加300 Oe的面內(nèi)磁場(chǎng)來誘導(dǎo)薄膜的各向異性,NiFe、NiMn、Ta的沉積速率分別為0.09 nm/s、0.11 nm/s和0.11 nm/s。在薄膜沉積完成后對(duì)樣品進(jìn)行退火處理,真空狀態(tài)下在300 ℃的溫度下保溫一小時(shí),最后不加磁場(chǎng)使樣品自然冷卻。為了研究樣品的磁特性,我們使用Quantum Design的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)將樣品從室溫下零場(chǎng)升溫至350 K后,施加10 kOe平行于膜面冷卻場(chǎng)降溫至65 K,然后維持磁場(chǎng)方向不變改變磁場(chǎng)大小,以10 Oe的步長在±4 kOe范圍內(nèi)測(cè)量磁滯回線。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁滯回線分析

圖1顯示了未退火NiMn(10 nm)/NiFe(10 nm)/NiMn(10 nm)的磁滯回線,樣品并沒有表現(xiàn)出交換偏置效應(yīng),并且矯頑力較小,為72 Oe。

圖1 NiMn(10 nm)/NiFe(10 nm)/NiMn(10 nm)的磁滯回線Figure 1 Hysteresis loop of NiMn(10 nm)/ NiFe(10 nm)/NiMn(10 nm)

通常狀態(tài)下的NiMn是具有順磁性的無序面心立方結(jié)構(gòu),幾乎不能產(chǎn)生釘扎作用,為使其具有反鐵磁性,須將樣品在高溫下進(jìn)行退火[13],以誘導(dǎo)NiMn產(chǎn)生有序的θ相即L10型的fct結(jié)構(gòu)[14-15],圖2(a)～(d)顯示了300 ℃下退火1 h的雙層膜NiFe(tnm)/NiMn(10 nm)和三層膜NiMn(10 nm)/NiFe(tnm)/NiMn(10 nm)的磁滯回線。圖2(a)中插圖為磁滯回線局部放大圖片。

圖2 不同厚度薄膜退火后的磁滯回線Figure 2 Hysteresis loops of annealed thin films with different thickness

可以看到,與未退火時(shí)相比,樣品的磁滯回線向外加磁場(chǎng)的負(fù)方向移動(dòng),而且矯頑力明顯增大。反鐵磁層與鐵磁層之間的交換作用會(huì)引起交換偏置場(chǎng)和矯頑力變化,當(dāng)反鐵磁層較薄時(shí),它的磁各向異性能較小,會(huì)隨鐵磁層在外場(chǎng)的作用下翻轉(zhuǎn),從而使矯頑力增大,但此時(shí)不能形成交換偏置場(chǎng)。當(dāng)反鐵磁層厚度增加時(shí),它會(huì)具有足夠大的磁各向異性能來避免翻轉(zhuǎn),從而出現(xiàn)交換偏置效應(yīng)。在本文中,能夠產(chǎn)生交換偏置效應(yīng)的反鐵磁層臨界厚度是5 nm。

2.2 反鐵磁層釘扎作用研究

為了研究反鐵磁層對(duì)鐵磁層的釘扎作用效果,需要比較雙層膜和三層膜的交換偏置場(chǎng)和矯頑力大小,結(jié)果如圖3。交換偏置的大小通過公式HEB=(HL+HR)/2計(jì)算得到,其中HL為磁滯回線與橫坐標(biāo)左邊的交點(diǎn),HR為磁滯回線與橫坐標(biāo)右邊的交點(diǎn)。

圖3 雙層膜和三層膜的矯頑力和交換偏置場(chǎng)隨FM層厚度變化曲線Figure 3 Dependence of the coercivity and exchange bias field on the thickness of the FM layer

可以看到隨著FM厚度的增大,交換偏置和矯頑力的大小均減小,而且相同鐵磁層厚度的三層膜的交換偏置場(chǎng)大于雙層膜的交換偏置場(chǎng)。矯頑力的大小依賴于各種因素對(duì)疇壁移動(dòng)的阻滯,我們所制備的樣品中不可避免的會(huì)有各種晶體缺陷、雜質(zhì)、晶界等存在,這些區(qū)域內(nèi)的磁化矢量很難改變?nèi)∠?在磁化時(shí)會(huì)構(gòu)成反磁化核,在晶體的其他部分已經(jīng)飽和磁化后仍沿著相反方向取向。在磁場(chǎng)作用下這些磁化核會(huì)變?yōu)榉创呕?這有利于疇壁位移。而隨著鐵磁層厚度的增加,反磁化核的數(shù)量也會(huì)增加,疇壁更容易移動(dòng),從而使矯頑力減小。在場(chǎng)冷過程中,反鐵磁層有較大的各向異性,不會(huì)有明顯的變化,但是鐵磁層會(huì)隨外場(chǎng)翻轉(zhuǎn)而翻轉(zhuǎn),此時(shí)反鐵磁層就會(huì)對(duì)鐵磁層產(chǎn)生釘扎作用阻礙鐵磁層翻轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生交換偏置。此過程如圖4。圖中頂層和底層為AFM,中間層為FM,界面處FM層會(huì)受到AFM層的釘扎作用。

圖4 釘扎作用示意圖Figure 4 Schematic diagram of pinning

微觀上,是反鐵磁的自旋排列方式在影響界面耦合,當(dāng)反鐵磁材料界面處的自旋方向相同時(shí),界面處的自旋凈磁矩?zé)o法相互抵消,此時(shí)為未補(bǔ)償界面,如圖5,虛線為AFM/FM界面。

圖5 反鐵磁層在界面處的自旋狀態(tài)示意圖Figure 5 Diagram of the spin state of the antife-rromagnetic layer at the interface

在磁場(chǎng)冷卻之后,鐵磁與反鐵磁界面處的未補(bǔ)償磁矩變成釘扎狀態(tài)。與雙層膜相比,三層膜的鐵磁層上下表面同時(shí)受到反鐵磁層的釘扎作用,界面處會(huì)有更多的釘扎未補(bǔ)償磁矩,此時(shí)鐵磁層更難克服釘扎作用發(fā)生翻轉(zhuǎn),磁滯回線相對(duì)零場(chǎng)的偏移量就會(huì)更大。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi),交換偏置的大小與鐵磁層厚度成反比,這與M-B模型推導(dǎo)得出關(guān)于HEB的唯象公式HEB=Δσ/MFMtFM一致,Δσ表示界面交換能密度,MFM表示FM層的磁化強(qiáng)度,tFM表示FM層的膜厚[16]。

2.3 上下層反鐵磁層對(duì)交換偏置的差異性研究

為了進(jìn)一步研究上下反鐵磁層對(duì)鐵磁層釘扎作用的差異性,在鐵磁層厚度不變的前提下,分別固定上層和下層的反鐵磁層,改變對(duì)應(yīng)下層和上層的反鐵磁層厚度,如圖6,研究交換偏置大小的變化。

圖6 交換偏置場(chǎng)隨上下層AFM厚度變化曲線Figure 6 Curve of the exchange bias field with different thickness of the upper and lower AFM

可以看到隨著反鐵磁層厚度的增加,交換偏置場(chǎng)的大小會(huì)先減小然后趨向于一個(gè)數(shù)值相對(duì)較小的恒定值。并且通過比較上下層反鐵磁層厚度改變對(duì)交換偏置場(chǎng)的影響發(fā)現(xiàn),固定層厚度相同時(shí),改變底層反鐵磁層厚度的交換偏置場(chǎng)總是偏大。以前的的研究和實(shí)驗(yàn)都表明交換偏置效應(yīng)不僅僅由界面效應(yīng)決定,整個(gè)反鐵磁層都含有釘扎未補(bǔ)償磁矩[17]。因此AFM層內(nèi)部的磁狀態(tài)會(huì)對(duì)界面處的耦合效應(yīng)產(chǎn)生影響,并進(jìn)一步使交換偏置場(chǎng)發(fā)生改變。反鐵磁的厚度會(huì)決定疇的結(jié)構(gòu),隨著NiMn層厚度的增加,各向異性隨之增加,創(chuàng)建疇壁需要更多的能量,疇壁的形成會(huì)變得困難。由于疇壁的生成受到抑制,疇壁的數(shù)量會(huì)相應(yīng)減少,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)形成更大的疇來平衡增大的疇壁能量,這會(huì)導(dǎo)致界面磁化強(qiáng)度的降低,從而導(dǎo)致HEB減少。

如前文所說,在整個(gè)反鐵磁層中都廣泛存在著體磁矩,在研究中假設(shè)這些散亂分布的體磁矩存在一個(gè)釘扎中心來與鐵磁層發(fā)生交換耦合,這個(gè)過程中中心到界面的距離會(huì)影響耦合的強(qiáng)度。當(dāng)反鐵磁層厚度較薄時(shí),交換距離較短,釘扎中心與鐵磁層之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致更大的交換偏置。而隨著反鐵磁層厚度的增加,釘扎中心和鐵磁層之間的耦合距離隨之增加,如圖7。其中深色區(qū)域?yàn)楣潭ㄡ斣鷮?中間為鐵磁層,圓圈代表釘扎中心,粗箭頭代表釘扎中心與鐵磁層的耦合路徑,細(xì)箭頭表示隨厚度增加釘扎中心移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖7 釘扎中心交換耦合示意圖Figure 7 Schematic diagram of pinning center exchange coupling

較短的交換路徑可以促進(jìn)釘扎中心與鐵磁層形成對(duì)齊的自旋方式,當(dāng)釘扎中心的磁矩方向與鐵磁層磁化的方向平行或反平行時(shí),耦合時(shí)在能量上是有利的。隨著耦合距離的增加,耦合強(qiáng)度減弱,共線自旋更難形成,鐵磁層和釘扎中心的自旋會(huì)扭曲,這將使得釘扎方向發(fā)生傾斜,相比于有利的自旋方向,此時(shí)的交換偏置較小。

頂層和底層釘扎效果的不同是由于沉積順序不同導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)差異,底層的界面效應(yīng)是由鐵磁層沉積到反鐵磁層時(shí)產(chǎn)生的;而頂層則相反。在沉積時(shí)兩者的界面晶格取向不同,當(dāng)最初的鎳錳沉積時(shí),它與表面光滑的緩沖層坦接觸,此時(shí)具有(200)織構(gòu)[18],但是這種結(jié)構(gòu)的鎳錳不能誘導(dǎo)隨后沉積的鎳鐵形成穩(wěn)定的(111)方向織構(gòu),這樣的FM層會(huì)影響最頂層AFM的有序度,反鐵磁層在結(jié)構(gòu)上的差異決定了兩個(gè)界面耦合時(shí)它們對(duì)交換偏置的貢獻(xiàn)會(huì)不一樣。另一方面,由于我們?cè)诔练e過程中添加了面內(nèi)磁場(chǎng),在磁場(chǎng)的作用下,鐵磁層的表面將變得不再光滑[19],粗糙度的改變也使得頂部的釘扎效果比底層更低。

3 總 結(jié)

在鎳鐵/鎳錳(Ni81Fe19/Ni50Mn50)雙層膜結(jié)構(gòu)上添加一層鎳錳層會(huì)提高三層膜交換偏置場(chǎng)的大小,這是因?yàn)轫攲雍偷讓拥碾p層釘扎結(jié)構(gòu)與單層相比含有更多的未補(bǔ)償釘扎磁矩,從而增大了交換偏置場(chǎng)。另一方面,交換偏置場(chǎng)的大小隨反鐵磁層厚度增大而減小,這表明體效應(yīng)的疇結(jié)構(gòu)和耦合距離都會(huì)影響交換偏置。此外,當(dāng)兩層反鐵磁層同時(shí)和鐵磁層耦合時(shí),沉積順序?qū)е碌谋∧の⒂^結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致了頂層和底層反鐵磁層的釘扎效果存在差異。本文的工作表明通過改變反鐵磁層的釘扎作用效果可以調(diào)控交換偏置效應(yīng),這有助于基于交換偏置的磁性傳感器、存儲(chǔ)器等自旋電子學(xué)器件的進(jìn)一步研究。