（光学专业论文）nifeptmn系统中交换偏置现象的研究.pdf

首都师范大学砚士学位论文 摘要 摘要 铁磁层反铁磁体系的交换偏置效应由于其在巨磁电阻效应的磁电子器件中的广泛 应用，成为目前研究的热点之一。本文中我们系统研究了n i f e p t m n 体系的交换偏置效应。 用直流磁控溅射法制备了不同m n 厚度的t a n i 。f e ，。 p t ( 6 a ) m n ( xa ) 。t a 薄膜。研 究了m n 的成分对体系交换偏置的影响。结果表明：体系的交换偏置场随着m n 含量的增 加先增大后减小：当m n 含量为5 6 i 时，体系的交换偏置场最大。x r d 结果显示，适当 多的m n 可以有效地促进p t m n 反铁磁相l l 。有序相的形成，从而减少退火时间，降低p t m n 层厚度。 制备了t a n i 。f e ，e p t ( t a ) m n ( ta ) 。t a 薄膜，研究了反铁磁层中p t 和单层膜厚 度x 对体系交换偏置和p t m n 有序相形成的影响。结果显示：对于单层膜厚度t = 2 a 的样品， 经过2 7 0 c 退火2 h ，就可以获得比较大的交换偏置场，而对于t = 1 2 a 的样品，需要在3 0 0 退火2 h 才能得到比较好的钉扎现象。x r d 结果表明：单层膜厚度越薄的体系，越有利于 p t m n 反铁磁相l l 。有序相的形成。 同时我们还研究了铁磁层反铁磁界面插入p t 对m n 扩散的影响，界面p t 层的引入可 以有效阻挡m n 向铁磁层的扩散，改善了体系铁磁层的磁性能。 最后我们研究了不同缓冲层和保护层对n i f e p t m n 体系的交换偏置效应的影响。结果表 明：退火处理以后，以n i f e c r 为缓冲层和保护层的样品的磁性层n i f e 的磁矩降低要小于以 t a 为缓冲层和保护层的样品的磁性层n i f e 的磁矩降低。同时，x r i ) 测量计算发现，以n i f e c r 为缓冲层生长的n i f e p t m n 样品比以t a 为缓冲层生长的n i f e p t m n 样品具有更好的织构、 更大的平均晶粒尺寸，因而具有更好的热稳定性。 关键词：交换偏置，n i f e p t m m 双层膜，热稳定性 a 堕塑些蔓查兰堡! 兰些笙苎! ! 翌 a b s t r a c t d u et ot h ek e yr o l ei na p p l i c a t i o no fs p i n v a l v es t r u c t u r eg i a n tm a g n e t o r c s i s t a n c e ( g m r ) ， e x c h a n g eb i a se f f e c th a sb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a lh o t s p o tr e c e n t l y i nt h i st h e s i s ，t h ee x c h a n g e b i a se f f e c to f n i f e p t m nh a sb e e ns t u d i e d t a n i s i f e t g p t ( 6 7 m n ( x ? 】n ，t af i l m sw i t hd i f f e r e n tm n t h i c k n e s sw e r ep r e p a r e db yu s i n g d cm a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n dt h ee f f e c to f t h em nc o m p o s i t i o no nt h ee x c h a n g eb i a se f f e c t o f t h e b i l a y e r sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x c h a n g eb i a sr e a c h e sam a x i m u m v a l u ea tx 5 6 1 t h e nd e c r e a s e sa sxi n c r e a s e s x r dr e s u l t ss h o wt h a ta n t i f e r r o m a g n e t i c e q u i a t o m i cp t m nl a y e rc o u l db ef o r m e dw i t hr e d u c e dt h i c k n e s sa n dm u c hs h o r t e n e da n n e a l i n g t i m ei f p t m nl a y e ri sp r e p a r e dw i t hs u i t a b l ee x c e s sm n t a n i g t f e l 9 p t ( t g m n ( t g 】g i nf i l m sh a v ea l s ob e e np r e p a r e da n dt h ee f f e c to fp t a n d m nl a y e rt h i c k n e s so nt h ee x c h a n g eb i a so ft h ef i l m sh a sb e e ns t u d i e d a f t e rb e i n ga n n e a l e da t 2 7 0 cf o r2h o u r si nav a c u u mc h a m b e r , t h es a m p l e sw i t ht = - 2 7h a v el a r g ee x c h a n g eb i a s b u t t h es a m p l e sw i t ht = 1 2 9 e x h i b i te x c h a n g eb i a sa f t e rb e i n ga n n e a l e da t3 0 0 cf o r2h o u r s x r d r e s u l t ss h o wt h a tt h et h i n n e rp t m nl a y e rw i l lb ee a s i l yt r a n s f o r m e di n t ou n i f o r mp t m na l l o yf i l m w i t hl 1 0p h a s e a tt h es a m et i m e ，w ei n t r o d u c e dp tl a y e ri nt h ei n t e r f a c eo ft h ef e r r o m a g n e t i ca n d a n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e r s ，w h i c hw a sp r o v e dt ob ev e r ye f f i c i e n tt op r e v e n tm nf r o mf u r t h e r i n t r u d i n gi n t ot h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r a sar e s u l t ，t h ef e r r o m a g n e t i cl a y e rp i n n e db yp t m nl a y e r e x h i b i t e de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e l a s t l y , t h es t r u c t u r a la n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fn i f e p t m nb i l a y e r sw i t ht ao rn i f e c ra s t h es e e da n dc a pl a y e r sw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h en i f e p t m nb i l a y e rw i t hn i f e c r a ss e e da n dc a pl a y e r sh a sh i g h e re x c h a n g eb i a st h a nt h a tw i t ht a a f t e ra n n e a l i n g ；t h e m a g n e t i z a t i o nr e d u c t i o no f t h ef i l m sw i t hn i f e c rs e e da n dc a pl a y e r sw a sl e s st h a nt h a tw i t ht a s e e da n dc a pl a y e r s o nt h eo t h e rh a n d ，t h eg r a i ns i z eo f t h eb i l a y e r sw i t hn i f e c rs e e dl a y e rw a s m u c hl a r g e rt h a nt h a to f t h ef i l m sw i t ht as e e dl a y e r ，w h i c hl e a d st oab e t t e rt h e r m a ls t a b i l i t yf o r t h ef o r m e r t h ep r e s e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tn i f e c rc a nb ep r o m i s i n gs e e da n dc a pl a y e r si ns p i n v a l v e sb a s e do nm n - a l l o y e da n t i f e r r o m a g n e t s k e yw o r d s ：e x c h a n g eb i a s ，n i f e p t m nb i l a y e r s ，t h e r m a ls t a b i l i t y b 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 豫衣文 日期：舻月z 日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名 啄扎永 、 、 日期旆阴蛔 首都师范人学硕士学位论文 引言 引言 1 9 8 8 年，磁性金属多层膜巨磁电阻效应的发现，标志了自旋磁电子学的诞生。随后， 自旋阀和磁性隧道结的发明，实现了低饱和场、高巨磁电阻效应，促进了巨磁电阻效应在 信息存储、高灵敏度传感器等方面的应用。 自旋阀和磁性隧道结中的巨磁电阻效应实现的关键是铁磁层和反铁磁层之间的交换 耦合作用。铁磁层( f m ) 反铁磁层( a f ) 双层膜的交换偏置现象在五十年前就已经被发 现，这一现象的具体表现是，当f m a f 双层膜升温至奈尔( n e e l ) 温度以上再在磁场中冷 却。或者f m a f 双层膜在磁场中生长，其磁滞回线中心在所加外磁场方向偏离零磁场，同 时矫顽力也显著增加。磁滞回线中心偏移量的大小定义为交换偏置场。近年来，这种效应 在磁电阻器件中的重要应用，又重新推动了关于交换偏置现象的研究。在实际应用中，要 求制备钉扎场大，热稳定性好，抗腐蚀能力强，制备工艺又简单的钉扎系统；同时，在理 论上，尽管人们提出过多种不同的理论模型来解释f m a f 体系交换偏置的微观机制，但这 些模型都只能解释某一些特定f m a f 体系或交换偏置现象的某一方面，到目前为止，关于 交换偏置的起源仍然不是十分清楚。因而，发展适合实际需要的f m a f 交换偏置体系，理 解交换偏置的形成机制，对巨磁电阻效应的应用和研究都具有非常重要的意义。 p t m n 反铁磁材料具有大的交换偏置，比较高的b l o c k i n g 温度和较好的热稳定性，因 此在自旋阀结构中p t m n 薄膜作为反铁磁层获得了广泛的关注。本文我们系统地研究了 n i f e p t m n 双层膜体系的交换偏置现象。第一章为文献综述，介绍了g m r 效应和交换偏置。 第二章介绍本研究中样品的制备及分析测试原理。第三章为主要研究内容和结果讨论，包 括：( 1 ) t a 做缓冲层，n i f e p t m n 双层膜的交换偏置对p t m n 层厚度和m n 成分的依赖：( 2 ) 不同p t 和h h l 单层膜厚度对 p t m n 。多层膜体系交换偏置的影响；( 3 ) 分别以t a 和n i f e c r 为缓冲层和保护层，研究了不同缓冲层和保护层对p t m n n i f e 双层膜的结构和磁性的影响。 首都师范大学硕士学位论文 第一章文献练述 第一章文献综述 1 1 巨磁电阻效应 1 1 1 多层膜的巨磁电阻 1 9 8 6 年g r u n b e r g 等人发现在f e c r f e 三明治结构中，f e 层之间可以通过c r 层进行交换耦 合，当c r 层厚度合适时，两f e 层之间存在反铁磁耦合作用叽1 9 8 8 年b a i b i c h 等人报道了低温 下( t = 4 2 k ) ，外场为2 0 k o e 时，用分子束外延( m a e ) 方法制备的f e ( 3 0 r i m ) c r ( o 9 n m ) 多层膜中 电阻的变化率达5 0 【2 l 远远超过了纯f e 层中的各向异性磁电阻( 约o 2 ) ，如图1 1 。这种 巨大的磁电阻效应被称为巨磁电阻效应，简记为g m r ，引起了各国科学家的注意，人们纷纷从 理论和实验上对其加以研究。 睡 i 嗍蜩 ! ；= 吝 图1 1f e c r 多层膜的m r 曲线 此后i b m 公司的p a r k i n 等人发现用较简单的溅射方法制备的f e c r f e 三层膜和( f e c r ) 多层膜都有巨磁电阻效应f 3 】，其中后者在室温和低温4 2 k 的g m r 值分别为2 5 和1 1 0 。在 随后的几年里，人们发现在许多铁磁层( f e 、n i 、c o 及其合金) 和非磁层( 包括3 d 、4 d 以及 5 d 非磁金属) 交替生长而构成的磁性多层膜中都存在类似的反铁磁耦合和大的磁电阻效应r 1 。 进而，在纳米颗粒膜、亚稳态合金膜、氧化物膜以及磁性隧道结多层膜等材料中也发现了大的 磁电阻效应。 实验发现，多层膜中铁磁层之间的交换耦合并不总是反铁磁的，而是随非磁层的厚度在反铁 2 首都师范大学硕士学位论文第一章文献综述 磁和铁磁耦合间振荡变化，如图1 2 所示。 图1 2c o f c u 多层膜g m k 效应随c u 厚度变化的振荡行为 1 1 2 自旋阀结构的巨磁电阻 虽然多层膜g m r 效应很明显，但是由于其饱和场较高，因此其应用存在着局限。出于应用 目的，人们开始寻找低饱和场、高灵敏度的g m r 材料。1 9 9 1 年，d i e n y 等提出磁性层( f ，) 非磁性隔离层，磁性层( f 2 ) ，反铁磁钉扎层( a f ) 结构，称为自旋阀( s p i n v a l v e ) ，并首先发现 n i f e c u n i f e f e m n 多层膜具有非常低的饱和场巨磁电阻效应1 7 1 。反铁磁层a f 通过交换耦合作 用将磁性层f 2 的磁矩钉扎在易磁化方向上。由于非磁层的隔离，使得磁性层f 1 和f 2 层之间的 作用很弱，f l 可以在较小的外场下自由转动，因此被称为自由层。此时由于反铁磁层的钉扎作 用，磁性层f 2 的磁矩方向在较小的外场下不能任意转动，于是就出现了两磁性层平行与反平行 两种状态，分别对应于低电阻和高电阻状态。尽管这种自旋阀的磁电阻变化率不高，但是由于 磁矩是一致转动，有效的克服了巴克豪森噪音，达到了很高的信噪比，因而磁场灵敏度很高， 具有很好的应用价值。 自旋阀结构的巨磁电阻特点： ( 1 ) 磁电阻变化率对外场的响应呈现线性关系， ( 2 ) 低饱和场； ( 3 ) 与a m r 相比，灵敏度高； ( 4 ) 利用层问转动磁化过程有效地抑制了噪音， 3 频率特性好 信噪比高 一摹v誓、磊 一式若叠咚 苷部师范大学硕士学位论文 第一章文献综述 以上特点促使自旋阀率先进入了实用化阶段。1 9 9 4 年i b m 公司宣布成功研制出读出头为自 旋阀结构的硬盘驱动器。自旋阀结构多层膜成为新一代赢密度读出磁头首选。 1 1 2 1 自旋阀的结构 自旋阀结构有很多种，图1 3 0 ) 是典型的自旋阀。主要由铁磁层( 自由层) 隔离层( 非 磁性层) ，铁磁层( 被钉扎层) 反铁磁层( 钉扎层) 组成。自旋阀中，非磁性隔离层通常采用导 电性比较好的c u ，其厚度一般为2 r i m 左右，这样可以使两铁磁层间静磁耦合较弱，又不会太多 地降低m r 。图1 3 ( b ) 为自旋阀的理想磁滞回线，图1 3 ( c ) 为磁电阻随磁场变化的睦线。在制 备自旋阀时，基片上外加一偏置磁场，使两磁性层磁矩平行排列，这时自旋阀电阻小。在外加 反向磁场的作用下，自由层首先发生磁化反转，两磁性层磁矩就变成反平行排列，自旋阀电阻 大。自旋阀电阻大小取决于两铁磁层磁矩的相对取向。 圈 图1 3自旋阀的结构和原理图 外磁场超过偏置场时，钉扎层发生磁化反转，自旋阀电阻小。d i e n y 最早研制的自旋阀结构 为：s u b s t r a t e f l a 5 n m n i f e 6 2 n m c u 2 n m n i f e 4 n m f e m n 7 n m ，自由层的反转磁场为8 0 e ，矫顽力小 于1 0 e ，被钉扎层的反转磁场为2 5 0 0 e 。 为了满足应用需要，要求研制低饱和场、稳定性好、g m r 效应大的自旋阀。目前自旋阀面 临的最大问题是抗腐蚀和热稳定性问题。要解决这些问题，需要对各层材料提出一定的要求。 目前，自由层一般采用矫顽力较小的的材料，如c o ，f e ，c o f e ，n i f e , n i f e c o ，c o f e b ，c o m n b ， c o n b z r 等，被钉扎层采用巨磁电阻效应大的材料，例如c o ，f e ，n i f e ，c o f e ，n i f e c o ，c o f e b 等， 反铁磁钉扎层采用高电阻，耐腐蚀性且热稳定性好的材料。 1 1 2 2 自旋阀巨磁电阻原理 图1 4 为自旋阀多层膜的电子输运过程，两铁磁层被一非磁层隔离，各层厚度小于传导电 4 首都师范大学硕十学位论文 第草文献综述 子的平均自由程。根据m o t t 的双流体模型，当电子自旋方向与局域磁矩反平行时，受到的散射 强；而当电子自旋方向与局域磁矩平行时，受到的散射就弱得多。当两磁层得磁矩取向平行时， 自旋向上的电子在两磁层中所受到得散射都很弱因而携带大部分电流，其电阻率为以：相反， 自旋向下的电子在两个磁性层中都受到强散射作用，对电流贡献小，其电阻率为凡。这两者的 总的等效电阻为几= n n ( p t + n ) 。当两磁层的磁矩取向反平行时，自旋向上的电子在磁 层中受到的散射强，而在另一层中受到的散射作用弱。其电阻率为( 肼+ n ) ，2 。同样，自旋向 下得电子在一磁层中受到得散射作用弱，而在另一层中受到得散射作用强，其电阻率亦为 ( n + n ) ，2 ，总的等效电阻为p 岛= ( 辟+ a ) 4 。由此可以看出，两磁层的磁矩平行与反平行时， 自旋阀多层膜的电阻不同，相应的电阻变化率为： a _ _ 4 p = ( 所一n ) 2 ( 所+ n ) 2 因此，在自旋阀中当自由层的磁矩与被钉扎层的磁矩互相平行时，整个体系处于低电阻态； 当二者反平行时，体系处于高电阻态。由于体系电阻随着自由层磁矩方向的变化而改变，所 以形象地称这种结构为自旋阀。 卉 广屯h 乙3 一一匕一j 神嘏 图1 4 自旋阀电阻示意图 1 1 2 3 目前对于自旋f 圉钉扎层的研究现状 目前，人们对顶自旋阀图1 5 ( a ) 和底自旋阀图1 5 ( b ) 的研究是最为广泛的。通常首先在基 片上溅射一层缓冲层，按照需要来控制生长过程，并且在自旋阀上面覆盖一保护层，以增强抗 腐蚀能力。为了降低饱和磁场和提高巨磁电阻效应，两铁磁层往往选取不同的材料。自由层选 取矫顽力小的软铁磁性材料，而钉扎层选取自旋相关散射大的材料，如图1 5 ( 0 所示。为了减小 静 圈圈 首都师范大学硕士学位论文 第一章文献综述 坡莫合金与非磁性隔离层的扩散，提高巨磁电阻效应，在其界面插入一层c o 薄层，如图1 5 ( d ) 所示，然而，它也引起矫顽力的增加，一种办法是只在钉扎层与非磁性隔离层的界面上插入c o 薄层。为了进一步提高磁电阻效应，引入两个钉扎层，构成对称型自旋阀如图1 5 ( e ) 所示，适当 调整各层厚度，允许传导电子通过四个界面层，从而可以增加巨磁电阻效应。一种典型的对称自 旋阀为基片n i o ( 5 0 n m ) c o ( 2 5 n m ) c u ( 1 8 n m ) c o ( 4 n m ) c u ( 1 8 n m ) c o ( 2 5 n m ) n i o ( 5 0 n m ) ，其磁电 阻达到2 3 4 。 图1 5 自旋阀的种类 ( a ) 顶自旋阀；( b ) 底自旋阀；( c ) 不同铁磁层的自旋阀；( d ) 界面工程自旋阀； ( e ) 对称性自旋阀：( t 9 不同矫顽力的自旋阀 另一种类型的自旋阀是用硬铁磁层( 如p t c o ) 代替反铁磁层和钉扎层。基本结构为基片软 磁层( s m ) 非磁隔离层( n m ) 硬磁层( 诅) ，如图1 5 ( 0 所示。它的优点是结构简单，且可选择抗腐 蚀和热稳定性好的硬磁材料，克服了白旋阀的不耐腐蚀和稳定性差的缺点。但也有不足之处， 它的硬磁层与自由层之间存在耦合作用，自由层的矫顽力增大，因而降低了自旋阀的灵敏度。 从前面对于自旋阀的介绍可以看出，对于偏置型自旋阀来说，钉扎层在自旋阀中起着至 关重要的作用。为了获得大的交换偏置场( h 。) ，必须使反铁磁层和铁磁层之间发生强的交换 耦合作用。此外，为了应用的需要，反铁磁层还必须具有较高的b l o c k i n g 温度( t b ) 以及好的热 稳定性和化学稳定性等等。因此，反铁磁层在自旋阀结构中起到至关重要的作用。 为此，人们对各种各样的反铁磁材料进行了研究：主要有氧化型( n i o ，c o o ，f e 2 0 3 等 等) 、，一m n 型( f e m n ，i r m n ，f e m n r h 等) 和有序型f n i m n ，p 订n ，p t p d m n ) 8 ，。氧化型具 有良好的抗腐蚀性，但h e 。小，t b 也比较低。早期的自旋阀一般采用f e m n 反铁磁层，但它 6 菖都帅范大学硕士学位论文 第掌文献综述 易受腐蚀，热稳定性差，这使其在自旋阀g m r 传感器中作为e b 层受到限制。现在正研究用 各种不同的反铁磁材料来替代f e m n 作为钉扎层，并取得很大进展。其中p t m n 基自旋阀( s v ) 其有大的h 。、高t b 和良好的抗腐蚀性，因而具有更好的应用前景。本文就是以p t m n 反铁磁 材料为重点对钉扎层进行了深入的研究。 1 1 2 4 自旋阀巨磁电阻的应用 自旋阀巨磁电阻发现以来，由于其低饱和场和高灵敏度等优点，短短几年的时间就开 发出了一系列高灵敏度磁电子器件：磁记录读出磁头、巨磁电阻随机存储器( m r a m ) 、 自旋晶体管等。 ( t ) g m r 硬盘读出磁头 读出磁头是g m r 最为突出的应用。计算机、多媒体及信息高速公路的发展要求高密 度大容量及小型化的外存系统。超高密度磁盘的发展使每记录单元的尺寸减小到亚微米量 级，因而其产生的待测散磁场很弱，为m t 量级；另一方面，磁盘的小型化使其线速度减 低，以至于传统的感应式磁头无法得到足够的信噪比，因此。磁电阻及巨磁电阻读出磁头 就成为目前实现新型超高密度磁记录关键技术的唯一有效途径。1 9 9 4 年i b m 公司首次在 硬盘中使用自旋阀g m r 读出磁头，密度为1 g b i n 2 。到2 0 0 2 年，硬盘密度已达到 1 0 0 g b i n 2 e 1 1 j 。 r 2 ) g m r 随机存储器m r a m 最近，g m r 效应用于计算机内存的主要组成部分一随机存储器( r a m ) 方面获得了 较大进展。它与目前采用的d r a m 相比，具有非易失性、抗干扰、功耗低、使用寿命长、 成本低等优点。而且它可以减小每位体积，丽不影响读出灵敏度。因而可以进一步提高存 储密度和实现快速存取，这将带动计算机内存储器发展的革命。 近年来，非易失性的磁电阻随机存储器的研究发展迅速。2 0 0 1 年1 1 月的科学杂志1 3 5 1 ， 介绍了磁随机存储器的研究和开发水平，展示了m o t o r o l a 公司的2 5 6 k b i t 的m r a m 芯片。 2 0 0 4 年6 月在夏威夷举行的v l s l 电路研讨会上，英飞凌( i n f i n e o n ) 和i b m 展示了他们 共同开发的世界上第一块1 6 m b i t 的m r a m 内存原型产品。与硬盘比较，m r a m 读取信 息速度快一万倍，存储时功耗又大大低于目前的d r a m 产品；今后的m r a m 存取速度可 能越来越快。 1 2 交换偏置( e x c h a a g eb i a s ) 的研究进展 当具有不同磁有序结构的材料存在界面直接耦合作用时，会产生许多复杂而奇特的现 首都师范丈学硕士学位论文 第一章文献综述 象。对于铁磁( f m ) 反铁磁( a f ) 薄膜体系，在反铁磁n e e l 温度以上在磁场冷却，或者f m a f 双层膜在磁场中生长，就会在铁磁材料中产生一个单方向的各向异性。由于铁磁层磁矩与 反铁磁层磁矩的界面交换耦合作用，磁滞回线的中心会偏离磁场的零点，同时矫顽力h c 增大，这种现象称为“交换偏置”或“交换各向异性”。磁滞中心偏移量定义为交换偏置场或 者钉扎场。对交换偏置效应的研究不仅有助于加深对其物理本质的理解，同时具有重要的 应用价值。九十年代以来，在迅速发展的自旋电子学领域里，利用交换偏置效应钉扎的铁 磁薄膜被证明在应用上非常重要，被广泛地应用于自旋阀、隧道结新型存储器和传感器中， 这也是反铁磁材料自发现以来的最重要的应用。 1 2 1 交换偏置的机制 虽然五十多年前m e i k l e j o h n 和b e a n t ”】就发现了交换偏置现象，但直到今天它的微观 起源仍未十分清楚。自交换偏置现象发现以来，人们提出了几种针对双层膜体系的交换偏 置模型。 1 2 1 1m e i k l e j o h n - b e a n ( m - b ) 模型 m e i k l e j o l m 和b e a n 最初认为这种交换偏置效应来源于f m - a f 界面处铁磁层自旋与 反铁磁层自旋的直接交换作用，是一种界面效应。当温度介于铁磁层的居里温度t c 和反铁 磁层的n e e l 温度t n 之间时，即t n t t c ，施加一个外磁场使铁磁层磁矩沿外场方向排列， 此时反铁磁层磁矩随机排列，处于无序状态，所以总的耦合为零。当温度冷至t 町n 时， 由于外场的存在和与铁磁层的交换作用，界面处的反铁磁层磁矩与铁磁层磁矩呈铁磁性排 列，反铁磁层的自旋出现磁有序。此时，当铁磁层的磁矩随着外场翻转时，即+ m 到一m ， 为减小塞曼能，铁磁层磁矩开始反转( 假设一致转动) ，由于反铁磁层具有比较强各向异性， 反铁磁层自旋仍在原来的方向，此时界面处铁磁层自旋与反铁磁层自旋的铁磁性交换作 用，好像对铁磁层自旋施加了一个力矩，使其仍然维持原来的排列方向，因此，要想使f m 层磁矩翻转必须加一个更大的外场。面在- m 到+ m 的过程中，由于界面反铁磁层自旋的 作用，铁磁层磁矩只需较小的磁场就能开始翻转，好像处在一个外加的偏置磁场中，因此 磁滞回线向负场的方向偏移。此过程如图1 6 所示。 基于以上的唯象模型，忽略铁磁层的各向异性能，计算表明，当反铁磁层的厚度大于 其临界值或者反铁磁层的各向异性常数无穷大时，将存在钉扎场，且钉扎场反比于铁磁层 的厚度。这一结论与大多数实验结果一致。这个唯象模型可以定性的解释一部分实验现象， 但此模型假设界面处为理想的未补偿的反铁磁自旋面，由此计算得到的钉扎场比实验值大 两个数量级；而且m b 模型也无法解释交换偏置场与温度的关系、交换偏置引起的矫顽力 首都师范大学硕十学位论文 第一章文献综述 提高和磁锻炼( t r a i n i n g ) 效应。 哇 h 娥 m 翻 姗 嚏 舢囔 o ) 蒌k i & k i o ) o l 鼽t t n 、 图1 6f m a f 交换偏置双层膜的不同磁化状态下自旋排列的示意图 1 2 1 2 平行界面的反铁磁畴壁 m a u r i 等人提出了反铁磁畴壁的一种新机制 1 4 1 ，模型为：( 1 ) 界面非常平整，界面耦 合是铁磁性耦合：( 2 ) 铁磁层的厚度远小于铁磁层中的畴壁宽度，铁磁层的自旋翻转完全 一致转动；( 3 ) 平行于界面的畴壁在反铁磁层一侧形成，这样使交换耦合能有一个上限， 以获得比较合适的钉扎场的值。这个模型成功解释了钉扎场与铁磁层厚度的关系，在强耦 合的情况下由于假设反铁磁层形成了平行于界面的畴壁，钉扎场远小于m b 模型中的计算 值，与实验接近。但此模型也存在不足之处，模型要求反铁磁的各向异性能k a f 很小，同 时该模型不能解释反铁磁层界面为补偿面时存在钉扎场的原因，而且其钉扎场甚至比未补 偿时还要大。 1 2 1 3m a l o z e m o f f 随机场模型 m a u r i 模型只考虑了完全未补偿界面的情形，而且界面本身是理想平整的。对于粗糙 的或者有缺陷的铁磁饭铁磁界面，m a l o z e m o f f t ”埂出一种随机场模型定量解释了其交换偏 置。m a l o z e m o f f 认为：界面不存在粗糙的情况下界面是完全补偿的。当界面上存在粗糙时， 反铁磁层内侧有磁畴a 与界面的粗糙相对应，分离磁畴的畴壁垂直于界面方向，引起随机 9 霪一霜鬻零一辫一 霎璧霎孽 首都师范大学硕七学位论文 第一章文献综述 交换偏置场。 m a l o z e m o f f 模型给出的钉扎场与m b 模型相比减小了约1 0 0 倍。除此之外，此模型 还成功的解释了与交换偏置有关的其它现象：钉扎场对反铁磁层厚度存在一个临界值、钉 扎场随温度线性减少、热稳定性以及磁锻炼效应等。m a l o z e m o f f 随机场模型不足之处在于 该模型过分依赖界面处的杂质缺陷，与实际不符；此外，该模型只适用于单晶反铁磁系统， 不能适用于多晶系统。 1 2 1 4k o o n 的s p i n f l o p 垂直界面耦合模型 k o o n 从微磁学( 推广的平面场理论) 计算出发，给出了完全补偿的f m a f 界面的交换 偏置现象的微观解释。计算表明，完全补偿的理想界面存在交换偏置现象，界面粗糙不是 必要的，界面交换耦合与f m a f 磁化矢量垂直取向有关。k o o n 称这种垂直的界面耦合为 s p i n f l o p 藕合。然而k o o n 的模型却存在着重大的局限，为了得到垂直的界面耦合，k o o n 模型选取了具有单晶体心四方结构的反铁磁系统作为研究对象，这就使该模型很难应用到 其它系统中。 总之，交换偏置现象发现五十年来，人们通过各种途径建立各种模型试图更好的理 解它，但是，还没有一种模型能很好的解释交换偏置现象。反铁磁铁磁交换耦合机制还有 待进一步深入研究。 1 2 2 影响交换偏置的因素 从上面的f m a f 交换耦合模型来看，涉及到交换耦合的许多问题还不甚清楚。实际 影响交换耦合的因素也比较复杂，下面我们简单介绍一下： 1 2 2 1 厚度的影响 ( 1 ) 铁磁层厚度 目前，对于各种交换偏置系统已做了大量的研究，发现如果反铁磁层厚度固定不变， 交换偏置场粗略地反比于铁磁层厚度( 见图1 7 ) h e x j t f m 这表明交换偏置是一种界面效应，这个关系对于相当厚的铁磁层是成立的，前提条件是该 厚度要小于铁磁层畴壁尺寸然而，如果铁磁层太薄，该关系不再成立f ，这可能是由于铁 磁层变成不连续薄膜，对于连续的铁磁反铁磁双层膜，矫顽力总是随着铁磁层厚度的增加 而减少。显然矫顽力这一依赖关系就不能简单地理解为界面效应。由于矫顽力与铁磁层及 反铁磁层的生长质量、微结构及界面的缺陷分布密切相关，所以铁磁，反铁磁双层膜中矫顽 1 0 首都师范大学硕士学位论文第一章文献综述 力增强的因素比较复杂，人们对此研究还比较少。 t ，1 - q 图1 7 交换偏置场h e x 及矫顽力对铁磁层厚度的依赖关系 ( 2 ) 反铁磁层厚度的影响 交换偏置与反铁磁层厚度的关系相当复杂，总的趋势是当反铁磁层的厚度大于某一值 时，交换偏景场不再依赖于反铁磁层厚度的变化。然而，当反铁磁层的厚度减小时，交换 偏置场急剧减下，最终对于较薄的反铁磁层，h 。变为0 ，图1 8 给出的例子说明了这种现 象。 - - 图1 8 偏置场h e x 和矫顽力h e 对反铁磁层厚度的依赖关系 1 2 2 。2 反铁磁磁矩取向 铁磁体和反铁磁体的交换偏置是一种界面效应，普遍认为钉扎场应该强烈地依赖于 f m a f 界面的电子自旋状况。为了研究这种效应，人们对一些f m a f 系统做了深入的研 究，对于反铁磁层磁矩的取向有两种主要观点：一种是完全补偿与完全未补偿的反铁磁表 面；另一种是界面处的反铁磁自旋取向排列在界面平面内与不在界面平面内的观点。由于 很难测量a f f m 界面的电子自旋，目前的讨论中只能假设反铁磁中存在整体自旋结构( b u l k s p i ns t r u c t u r e ) 。 ta薹-署 首都师范大学硕十学位论文 第一章史献综述 1 2 2 3 界面对交换偏置的影响 ( 1 ) 粗糙度 对于一些反铁磁材料来说，交换偏置场对界面粗糙度并不敏感或者交换偏置随界面 粗糙度的增加而增加，但对大多数的反铁磁材料来说，交换偏置场的值随界面粗糙度的增 加而减小陋2 ，对于另外一些系统，交换偏置场随着晶粒尺寸增加而增加 2 l 】。最近，h w a n g 等人【2 2 】又指出反铁磁薄膜的粗糙度的梯度也会影响交换偏置场。 图1 9 界面耦合能a e 对界面粗糙度盯的依赖关系口e f ：f e 双层膜) ( 2 ) 织构 许多文献报道- 2 6 交换偏置场h 。随反铁磁层织构的增强而增加，但也有少数例外 【2 7 2 8 】；另一方面，随着薄膜生长条件的变化，另一个新的取向可能出现，这时系统偏置场 可能不按照任何特定的趋势发生变化。 ( 3 ) 晶粒度 晶粒尺寸对交换偏置的作用目前仍不清楚。研究结果表明：交换偏置场h 。的大小依 赖于特定的f m a f 系统和薄膜沉积条件。当晶粒尺寸发生改变时，其它有关参数实际上 也相应地受到影响。对于一些f m a f 系统来说，系统偏置场h 。随晶粒度的增加而增加： 而对于另外一些f m a f 系统来说，交换偏置场h 。则随晶粒度的增加而减d d 2 9 1 。 另外，影响交换偏置的因素还有反铁磁层的各向异性、截止温度、“磁锻炼”效应 ( t r a i n i n ge f f e c t ) 、反铁磁层铁磁层矫顽力和冷却场等。正是由于多种因素影响着交换耦合， 所以使得理论分析非常复杂，因此到目前为止，没有一种模型能够很好的解释交换偏置现 象。 一、jl善g一，e时雌 首都师范大学硕十学位论文第一章文献综述 1 2 3 常用反铁磁材料 实际研究中钉扎材料分为两类 3 0 - 3 5 1 ：一类是合会( 包括二元合金和三元合金) 材料，另 一类是金属氧化物材料。包括面心立方的无序金属合金：f e 5 0 m n s o 、i r 2 0 m n 8 0 和( r h r u ) l o o 。m n 。等：体心四方的无序金属合金包括：c r 5 0 m n 5 0 、和c r 5 0 m n 5 0 c x 等：面心四方有序 金属合金包括：n i 5 0 m n 5 0 ，p t m n 和p d m n 等；氧化物包括n i o 等。 总的来说，各种反铁磁材料都有它的优缺点。综合来看，在实际应用中，l r m n 和p t m n 合金作为反铁磁材料较好。 首都师范人学硕士学位论文 第一章文献综述 参考文献 1 p 6 r d n b e r g ，rs c h r e i b e r ，y p a n g ，e ta 1 ，p h y s r e v ，l e t t 5 7 ( 1 9 8 6 ) 2 4 4 2 2 m n b a i b i c h ，j m b r o t o ，a f e r t e ta l ，p h y s r e v l e t t ，6 1 ( 1 9 8 8 ) 2 4 7 2 3 s s p p a r k i n ，n m o r ea n dk p r o c h e ，p h y s r e v l e t t 6 4 ，2 3 0 4 ( 1 9 9 0 ) 1 4 k s h i t a k u ，y d a t o ha n dt s h i n j o p h y s r e v b4 7 ，1 4 5 8 4 ( 1 9 9 3 ) 5 m l y a n ，w y l a i ，y z w a n g ，s x l ia n dc t y u ，j a p p l p h s 7 4 ，1 8 1 6 ( 1 9 9 5 ) 6 c y u ，s l i ，w l a i ，m y a n y w a n ga n dz w a n g ，p h s ，r e v b8 2 ，1 1 2 3 ( 1 9 9 5 ) 7 d i e n yr ，s p e r i o s uvs ，p a r k i ns s p e ta 1 p h y sr e vb ，4 3 ( 1 9 9 1 ) 1 2 9 7 8 r v o nh e l m o l te ta 1 ，p h y s r e v l e t t 7 1 ( 1 9 9 3 ) 2 3 3 1 9 j m d c o e y ，i na s p e c t so fm o d e r nm a g n e tis m e d b yf c p u ，y j w a n g ，c h s h a n g ( w o r l ds c i e n t i f i c ，1 9 9 6 ) ，p 2 i o a c h a i k e ne ta 1 ，a p p l p h y s 7 0 ( 1 9 9 1 ) 6 8 6 4 1 1 d a t h o m p o s o n ，j s b e s t ，i b mj r e s d e v e l o p 4 4 ( 2 0 0 0 ) 3 1 1 1 2 s a w o l f ，d d a w s c h a l o m ，r a b u h r m a n ，j m d a n g h t o n ，s y o nm o l n a r ， m lr o u k e s ，a y c h t c h e l k a n o v aa n dd m t r e g e r ，s c i e n c e2 9 4 ，14 8 8 ( 2 0 01 ) 1 3 w h m e i k l e j o h na n dc p b e a n ，p h y s r e v 1 0 2 ，1 4 1 3 ( 1 9 5 6 ) w h m e i k l e j o h na n dc p b e a n ，p h y s r e v 1 0 5 ，9 0 4 ( 19 5 7 ) 1 4 d m a u r i