焦志偉,王映棋,吳磊磊,姜偉棣,丁志謙,周 云,張冬芹,杜建華

(中國計量大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著科技和自旋電子學(xué)的發(fā)展，人們開始重視電子的自旋特性并將其應(yīng)用到信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，這使得半導(dǎo)體工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，從而廣泛的應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)和人們的生活中。半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展促成了印制電路板的出現(xiàn)，作為一種擁有著較高生產(chǎn)效率的電子部件，印制電路板很快被應(yīng)用到各種領(lǐng)域，而作為一種不能夠卷曲和拉伸的剛性電子部件，它受到了很多的制約。于是，人們開始注重柔性電子的研究。由于柔性電子能夠利用剛性電子器件中的規(guī)律和結(jié)論并加以創(chuàng)新，因此有著較快的發(fā)展速度和廣闊的發(fā)展空間。研究人員對于柔性電子學(xué)的研究也開始滲透到多個領(lǐng)域，并已經(jīng)得到了許多成果[1-5]。

磁性材料作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重要部分，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到諸如揚聲器、制動機、磁盤和自動機等設(shè)備當(dāng)中[6-11]。柔性電子器件研究中的一個重要部分便是對于柔性襯底上制備的磁性薄膜與器件的研究，將薄膜與器件制備在柔性襯底上可以利用其可卷曲拉伸的特點，將平面研究延伸到曲面研究上。這種柔性磁電子器件還具備低成本的特點，因此在諸多領(lǐng)域都可以得到廣泛的應(yīng)用。

近年來，人們借助柔性襯底上磁性薄膜與器件的發(fā)展，開始對沉積在柔性襯底上的薄膜的磁各向異性進行研究。例如，Dai等人在研究聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上沉積的Fe81Ga19時發(fā)現(xiàn)，PET被施加應(yīng)變后會有殘余的應(yīng)力，會進一步導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)單軸磁各向異性[12]。Zhang等人在研究PET上沉積的Fe81Ga19/IrMn時發(fā)現(xiàn)，交換偏置場會受到應(yīng)力對薄膜的作用而發(fā)生變化[13]。Zuo等人在研究鐵電襯底聚偏氟乙烯(PVDF)上沉積的FeGa時發(fā)現(xiàn)，薄膜在被施加了電場以后出現(xiàn)了面內(nèi)單軸磁各向異性[14]。

交換偏置場是Meiklejohn和Bean發(fā)現(xiàn)的，他們在對Co/CoO雙層膜核殼結(jié)構(gòu)進行研究時，發(fā)現(xiàn)磁滯回線沿著磁場軸的負方向發(fā)生了平移[15-16]。這種現(xiàn)象被稱為交換偏置效應(yīng)，磁滯回線的偏移量被稱為交換偏置場(Heb)[17-18]。Heb與矯頑力HC的計算公式為

(1)

式(1)中：HC1表示磁滯回線的前支矯頑力，HC2表示磁滯回線的后支矯頑力。

到目前為止，研究人員對于鐵鎳/鎳錳和鐵鎳/鎳錳/鐵鎳兩種系統(tǒng)的研究都是在以剛性襯底作為基底的前提下進行的，這其中包括我們課題組所做的相關(guān)有意義的工作：鐵磁層居里溫度低于反鐵磁層奈耳溫度所構(gòu)成的磁性薄膜的交換偏置效應(yīng)；鐵鎳/鎳錳/鐵鎳三層膜中的每一層以及測量溫度和冷卻場對交換偏置場的影響[19-25]。

在本文中，我們分別在硅片剛性襯底和聚酰亞胺(PI)柔性襯底上制備了Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜，并研究了鐵磁層厚度、反鐵磁層厚度和測量溫度對交換偏置場和矯頑力的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和使用儀器

本文中用到的材料有：Ta靶材(厚度3 mm，直徑60 mm，純度99.99%)、Ni81Fe19靶材(厚度2 mm，直徑60 mm，純度99.99%)和Ni50Mn50靶材(厚度2 mm，直徑60 mm，純度99.99%)均購自合肥科晶材料技術(shù)有限公司；晶相為(100)的單晶硅片購自中諾新材(北京)科技有限公司；聚酰亞胺膠帶購自深圳市昌達祥電子有限公司；釹鐵硼永磁體購自深圳市云輝樂古電子有限公司。

薄膜樣品的制備采用的是購自沈陽科儀公司設(shè)計的JGP560C19多功能超高真空磁控濺射儀；薄膜樣品的測試采用的是購自Quantum Design公司設(shè)計的多功能振動樣品磁強計(Versalab)。

1.2 實驗方法

在室溫條件下分別在硅襯底和PI襯底上直流濺射沉積了Ta(15 nm)/NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)/Ta(8 nm)、Ta(15 nm)/NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)/Ta(8 nm)樣品。濺射使用的靶材有Ni81Fe19、Ni50Mn50和Ta，三個靶材的純度均高于99.99%。濺射的過程中氬氣壓強始終保持在0.4 Pa，背景真空度優(yōu)于7×10-4Pa，NiFe和NiMn的濺射功率為35 W、Ta的濺射功率為30 W，NiFe的沉積速率為0.16 nm/s，NiMn的沉積速率為0.15 nm/s，Ta的沉積速率為0.13 nm/s。每一個樣品在制備前都要先沉積15 nm的Ta作為緩沖層，制備結(jié)束后都要先沉積8 nm的Ta作為保護層防止樣品氧化。由于PI的耐高溫性不強，選擇230 ℃作為所有樣品的退火溫度，退火時間為1 h，且退火過程中不施加磁場。

測量樣品磁滯回線的具體過程為：將樣品加熱至390 K，施加3 000 Oe平行于薄膜表面的冷卻場，降溫至待測溫度，測量薄膜磁滯回線的磁場范圍為-2 500～+2 500 Oe，以10 Oe為一個步長。為了減少誤差，每個樣品都測量3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵磁層厚度的影響

為了探究硅片和柔性襯底上鐵鎳/鎳錳薄膜中的鐵磁層厚度對交換偏置場的影響，制備了一系列NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)薄膜，并分別測量了薄膜的磁滯回線。圖1給出了鐵磁層厚度為12 nm和15 nm時兩種襯底上薄膜的磁滯回線，其中圖1(a)和(c)中的插圖是磁滯回線中央部分的放大曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵磁層厚度為12 nm時，磁滯回線的偏移程度要大于厚度為15 nm時的；鐵磁層厚度為12 nm時矯頑力的數(shù)值也要大于厚度為15 nm時的。

圖1 Si和PI襯底上不同鐵磁層厚度Ni81Fe19/Ni50Mn50薄膜的M-H曲線Figure 1 M-H curves of Ni81Fe19/Ni50Mn50 films with different ferromagnetic layer thicknesses on Si and Pi substrates

圖2分別表示了兩種襯底上薄膜的交換偏置場和矯頑力對鐵磁層厚度的依賴性，圖2(a)中可以看出，交換偏置場在兩種襯底上的數(shù)值相差甚小，且隨著鐵磁層厚度的增大而不斷減小，直至減小為0；圖2(b)中可以看出，襯底為PI時的矯頑力始終大于襯底為硅片時的。鐵磁層厚度不超過27 nm時，PI上薄膜的HC約為硅片上薄膜HC的1.6倍。隨著鐵磁層厚度的增大，矯頑力不斷減小。

圖2 兩種襯底上NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)薄膜的交換偏置場和矯頑力隨鐵磁層厚度的變化曲線Figure 2 Exchange bias field and coercivity of NiFe (tNiFe)/NiMn (15 nm) films on twokinds of substrates as a function of the thickness of antiferromagnetic layer

實驗結(jié)果表明，鐵鎳/鎳錳薄膜的Heb不會隨襯底的變化而變化，而由于金屬薄膜和柔性襯底之間的熱擴散系數(shù)不匹配，會使得它們在濺射的過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致HC比在剛性襯底上濺射時大[13,26]。實驗還證實了Heb和HC的大小和鐵磁/反鐵磁薄膜的界面耦合有關(guān)，而且鐵磁層的厚度越大，界面耦合能越小，這個結(jié)論在硅片襯底和PI襯底上都適用。

2.2 反鐵磁層厚度的影響

為了探究硅片和柔性襯底上鐵鎳/鎳錳薄膜中的反鐵磁層厚度對交換偏置場的影響，制備了一系列NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)薄膜，并分別測量了薄膜的磁滯回線。圖3給出了反鐵磁層厚度為10 nm和20 nm時兩種襯底上薄膜的磁滯回線，其中圖3(a)和(c)中的插圖是磁滯回線中央部分的放大曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反鐵磁層厚度為10 nm時，磁滯回線的偏移程度要大于厚度為20 nm時的；反鐵磁層厚度為10 nm時矯頑力的數(shù)值也要大于厚度為20 nm時的。

圖3 Si和PI襯底上不同反鐵磁層厚度薄膜的M-H曲線Figure 3 M-H curves of films with different antiferromagnetic layer thicknesses on Si and Pi substrates

圖4分別表示了兩種襯底上薄膜的交換偏置場和矯頑力對反鐵磁層厚度的依賴性，圖4(a)中可以看出，交換偏置場在兩種襯底上的數(shù)值相差甚小，且隨著反鐵磁層厚度的增大，Heb先增大后減小最后不變；圖4(b)中可以看出，襯底為PI時的矯頑力始終大于襯底為硅片時的，且隨著反鐵磁層厚度的增大，HC先增大后減小最后不變。

圖4 兩種襯底上NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)薄膜的交換偏置場和矯頑力隨反鐵磁層厚度的變化曲線Figure 4 Exchange bias field and coercivity of NiFe (15 nm)/NiMn (tNiMn) films on two kinds of substrates as a function of the thickness of antiferromagnetic layer

實驗結(jié)果表明，鐵鎳/鎳錳薄膜的Heb和HC對反鐵磁層厚度的依賴關(guān)系不再是單調(diào)的，這是由于系統(tǒng)中反鐵磁層厚度有一臨界值，該臨界值介于10 nm到15 nm之間，當(dāng)反鐵磁層厚度小于該值時，反鐵磁層的各向異性能很小，不足以控制鐵磁層中較多磁矩的翻轉(zhuǎn)；當(dāng)反鐵磁層厚度大于該值時，反鐵磁層中開始有較多能夠控制鐵磁層中自旋的未補償自旋，Heb和HC隨著反鐵磁層厚度的增加而增加；而反鐵磁層厚度過大時，鐵磁層中沒有多余的自旋翻轉(zhuǎn)，這會導(dǎo)致Heb和HC的減小[24,27]。

2.3 測量溫度對交換偏置效應(yīng)的影響

為了探究PI上鐵磁/反鐵磁雙層膜中的測量溫度對Heb和HC的影響，制備了NiFe(15 nm)/NiMn(15 nm)、NiFe(15 nm)/NiMn(20 nm)薄膜，并分別測量了薄膜的磁滯回線。圖5給出了Heb和HC對測量溫度的依賴曲線，圖5(a)中可以看出，隨著測量溫度的升高，Heb不斷減小，當(dāng)測量溫度高于截止溫度(160 K)時，由于AFM的各向異性不大，磁矩會隨著外場翻轉(zhuǎn)，因此不會再產(chǎn)生交換偏置現(xiàn)象；圖5(b)中可以看出，隨著測量溫度的升高，HC不斷減小，測量溫度高于160 K時，兩種厚度薄膜的矯頑力大小基本相同。

圖5 PI襯底上NiFe(15 nm)/NiMn(15，20 nm)薄膜樣品的交換偏置場和矯頑力隨測量溫度的變化曲線Figure 5 Change curves of the film exchange bias field and coercivity of NiFe (15 nm)/NiMn (15, 20 nm) on PI substrate with measured temperature

3 結(jié) 語

過去對于Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜體系的研究都是在如同硅片這樣的剛性襯底上進行的，而從來沒有在如同PI這樣的柔性襯底上嘗試過。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，雖然Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜體系的Heb不會因為襯底發(fā)生改變而改變，但這給自旋電子學(xué)器件制作成柔性器件提供了可能性；同時，熱擴散系數(shù)不匹配導(dǎo)致的薄膜與柔性襯底間的內(nèi)應(yīng)力造成其HC的增大，也給對高矯頑力有需求的薄膜電子器件的生產(chǎn)提供了可能性。通過本研究還可以發(fā)現(xiàn)，Heb和HC的大小都和鐵磁/反鐵磁薄膜界面耦合有關(guān)，鐵磁層的厚度越大，界面耦合能越小，Heb和HC就越??；Heb和HC都隨著反鐵磁層的厚度先增大再減小最后保持不變，這和反鐵磁層各向異性能受其自身厚度的影響能力有關(guān)，各向異性能越強，Heb和HC越大；Heb和HC都隨著測量溫度的增大而減小直至消失，這和AFM的各向異性有關(guān)，AFM的各向異性越小，Heb和HC越小。本文研究的Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜體系為進一步研究PI襯底上的三層膜和多層膜系統(tǒng)薄膜的磁性提供了可能性，因而促進了柔性磁電子器件領(lǐng)域的發(fā)展。