【《L10FePt单层膜反常霍尔效应研究》1900字】

L10FePt单层膜反常霍尔效应研究目录TOC\o"1-3"\h\u25375L10FePt单层膜反常霍尔效应研究 1191521.1L10FePt单层膜制备与结构分析 111751.2膜层厚度对垂直磁各向异性的影响 2258261.3溅射氩气压对垂直磁各向异性的影响 4149901.4衬底对垂直磁各向异性的影响 41.1L10FePt单层膜制备与结构分析要研究基于L10FePt的SOT器件，制备高质量L10FePt单层膜是第一步要完成的工作。因此本文首先利用第二章中介绍的SOT器件制备工艺在MgO单晶基片上通过磁控溅射制备了不同厚度的L10FePt单层膜样品，薄膜结构如图3.1所示。图3.1FePt单层膜薄膜结构为表征本文制备的FePt单层膜样品的晶体结构，我们进行了XRD表征测试，测试结果如图3.2所示。图3.2FePt单层膜XRD表征曲线根据XRD吸收强度曲线可知，本文通过磁控溅射制备的20nm和40nm厚度的FePt单层膜都生长出了较好的FePt(001)和FePt(002)取向，并且20nm样品的峰值更高，暗示其拥有更好的L10结构。为了进一步验证本文制备的FePt单层膜的垂直磁各向异性，我们需要利用第二章中搭建的反常霍尔效应特性测试系统对其进行测试。不过在这之前需要先将器件制备成微米级的HallBar器件。本文按照第二章中介绍的SOT器件制备工艺，制备出了如图2.3所示的HallBar形SOT器件。将上述FePt单层膜制备成HallBar形SOT器件后，器件在高倍显微镜下的照片如图3.3所示。图3.3HallBar型SOT器件在高倍显微镜下的照片图3.3中SOT器件核心部分的宽度为6微米，长度为18微米。每次光刻会同时制备出多个器件，每个器件的核心部分尺寸会略有不同，该器件为其中尺寸最小的一个。仔细观察图3.3的器件部分，可以看出中间的十字部分颜色偏暗灰色，而四边的电极部分偏亮银色。这是因为中间十字部分是上述FePt薄膜因等离子刻蚀而留下的部分（约10-40nm），而四边的电极是通过套刻工艺和剥离工艺制备的Pt电极薄膜（约60nm）。1.2膜层厚度对垂直磁各向异性的影响在对如图3.3结构的HallBar型SOT器件进行电输运特性测试时，需要先将器件的四个电极通过wirebounding设备连线到测试用的PCB转接板上，然后将PCB转接板安装到电磁铁中间的样品架上即可开始测试。在进行反常霍尔效应特性测试时，电流、霍尔电压和磁场的施加方向如图3.4所示。即电流施加方向（x方向）、探测霍尔电压方向（y方向）和外加磁场方向（z方向）两两垂直，然后运行第二章中设计的反常霍尔效应自动测试程序即可完成AHE回线的测量。图3.4AHE测试示意图本文AHE测试时，激励电流固定为0.1mA，磁场扫描范围固定为10kOe到-10kOe。对不同厚度的3个FePt单层膜SOT器件进行了测试，测试结果如图3.5所示。可以看到，3个样品的AHE回线都十分形似其磁滞回线的形状，该结果印证了本文第二章对反常霍尔效应特性表征的分析。我们可以根据它们的AHE回线来分析FePt单层膜SOT器件的垂直磁各向异性。图3.5不同厚度FePt单层膜SOT器件AHE测试结果由图3.5可见，厚度对FePt单层膜的垂直磁各项异性影响较大，当FePt层厚度为40nm时，AHE回线整体斜率较小，垂直磁各项异性较差，矫顽力较大（约±2000Oe），霍尔电阻变化量较小（约4Ω）。当FePt层厚度减小到20nm时，AHE回线整体斜率变大，垂直磁各项异性变大，同时矫顽力变小（约±1500Oe），霍尔电阻变化量变大（约5Ω）器件的磁性能整体更优。而当FePt层厚度降低到10nm时，AHE回线整体斜率较20nm时略微增大，矫顽力急剧减小（约±200Oe），霍尔电阻变化量也大幅度增大（约25Ω）。这说明在一定范围内，FePt单层膜的垂直磁各项异性和霍尔电阻变化量随着薄膜厚度减小而增大，相应地矫顽力随之减小。1.3溅射氩气压对垂直磁各向异性的影响 在随后的实验过程中，我们发现磁控溅射制备FePt单层膜时，氩气压的大小也对样品的垂直磁各项异性有较大的影响。我们对不同氩气压条件下制备的3个20nm厚的FePt单层膜样品进行AHE测试，图3.6为三者的AHE测试结果。图3.6不同氩气压单层膜SOT器件AHE测试结果综合来看，在5-15mTorr的氩气压范围中，图3.6显示氩气压FePt单层膜的垂直磁各向异性影响结果比较随机，矫顽力在100Oe到1000Oe之间变化，霍尔电阻变化量在12Ω-16Ω之间变化。表3-1不同溅射气压条件制备的FePt单层膜垂直磁各向异性溅射气压5mTorr10mTorr15mTorr矫顽力（Oe）200620110剩磁矩形比1.6%56.3%23.8%三个样品的垂直磁各向异性差异如表3.1所示，相对来说10mTorr氩气压下制备的FePt单层膜的垂直磁各向异性最优，剩磁矩形比达到56.3%，且矫顽力大小比较合适（约620Oe），因此上述不同厚度的FePt单层膜均是在10mTorr氩气压条件下制备的。1.4衬底对垂直磁各向异性的影响最后，为了对比不同衬底对FePt单层膜垂直磁各向异性的影响，本文在经过多次优化的同一制备条件下分别重新制备以MgO和SrTiO3(STO)为衬底的10nm后的FePt单层膜SOT器件，它们的AHE回线测试结果如图3.7所示。图3.7不同衬底压单层膜SOT器件AHE测试结果图3.7显示，无论是MgO衬底还是STO衬底，在较好的制备条件下制备出的SOT器件的垂直磁各向异性都非常良好，霍尔电阻变化量都在