專利名稱：一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁電子學器件中的一種關鍵元件一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，這一體系可直接應用于自旋閥、磁性隧道結甚至磁性隨機存儲器(MRAM)中。
本發(fā)明還涉及一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系的制備方法。
背景技術：
鐵磁/反鐵磁多層膜體系是自旋閥和磁性隧道結的基本組成部分之一，其主要功能是通過反鐵磁層對鐵磁層的釘扎作用，使得該鐵磁層作為磁性的參考層(文獻Phys.Rev.B 43，1297(1991)和IEEE CircuitsDevices Mag.18，17(2002))。從實際應用的角度，該體系對反鐵磁要求是能產生比較大的耦合強度，比較高的Blocking溫度，厚度比較薄，抗腐蝕性好，電阻率比較高。常用的反鐵磁的材料包括Fe2O3、NiO和CoxNi1-xO等氧化物以及Mn系的反鐵磁，如FeMn，IrMn，NiMn和PtMn等(文獻J.Magn.Magn.Mater.192，203(1999))?；谘趸锓磋F磁材料的交換偏置系統雖然有很高的電阻率；但其釘扎場太?。籉eMn和IrMn有比較大的釘扎場，但很容易被腐蝕；化學有序反鐵磁相的NiMn和PtMn的釘扎場和抗腐蝕能力都基本合適，但相對釘扎場來說，矯頑力往往比較大。而且，對所有的Mn系反鐵磁，Mn原子的擴散很難阻擋，它將嚴重地破壞自旋閥，尤其是磁性隧道結的整體性能(文獻J.Appl.Phys.87，2469(2000)和J.Appl.Phys.89，6907(2000))。另外Cr0.7Al0.3(文獻Appl.Phys.Lett.70，2915(1997))也被用做釘扎材料，但其釘扎場太小，不適合用在自旋閥和磁性隧道結。

發(fā)明內容
針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，該體系引入化學有序反鐵磁相的CrPt作為釘扎材料，相對于用已有的反鐵磁材料(比如FeMn、IrMn、NiMn和PtMn等)制成的鐵磁/反鐵磁體系，用該反鐵磁材料制成的鐵磁/反鐵磁釘扎系統具有非常好的熱穩(wěn)定性，優(yōu)越的抗腐蝕性、高的電阻率、中等強度的交換偏置場以及比較少的原子擴散。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系的制備方法。
為實現上述目的，本發(fā)明一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系包括一基片和基片上依次設置的一緩沖層，用于誘導比較好的(111)織構的鐵磁層和反鐵磁CrPt層；一鐵磁層，設于緩沖層上；一反鐵磁層CrPt設于鐵磁層上，以及一用于防止鐵磁和反鐵磁層被氧化的保護層。
進一步地，所述的基片的材料選自硅或玻璃的一種。
進一步地，所述的緩沖層或保護層選自Ta、Cu或NiFeCr中的一種。
進一步地，所述的鐵磁層選自Ni、Co、CoFe、NiFe或NiCo中的一種。
本發(fā)明提供的一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系的制備方法包含以下步驟(1)采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、鐵磁層、反鐵磁CrPt層以及保護層；(2)將上述步驟所獲得的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系在一平行于樣品易軸方向的普通磁場強度的外加磁場下進行真空退火。
進一步地，所述步驟(1)中所采用的真空沉積法鍍膜時，本底真空氣壓優(yōu)于10-5Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.2～0.8Pa。
進一步地，所述步驟(2)中的退火工藝的退火溫度為300～500℃、退火時間為1～20小時、本底真空優(yōu)于10-3Pa。
本發(fā)明相比現有技術具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明提供的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，通過引入奈耳溫度極其高(TN＞1300℃)的反鐵磁材料CrPt作為釘扎層，使得體系的熱穩(wěn)定性；另外，由于Pt和Cr的化學穩(wěn)定性都極強，故CrPt抗腐蝕性非常好；2、本發(fā)明提供的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，由于其中不含在熱處理過程中極易遷移擴散的Mn元素，故鐵磁層和反鐵磁層間的原子擴散很少，因而可以對系統進行更高溫度的熱處理；3、本發(fā)明提供的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系制備方法，通過控制反鐵磁層中Cr原子和Pt原子的相對百分含量及沉積反鐵磁CrPt層的厚度，從而可以獲得以比較薄的反鐵磁厚度實現對鐵磁層比較大的釘扎，同時其退火條件、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性以及電阻率均比較理想。


圖1為本發(fā)明的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的結構；圖2為本發(fā)明實施例1的樣品的結構；圖3為本發(fā)明實施例1樣品品制備態(tài)和經過350℃，5小時真空退火后用振動樣品磁強計測量出的磁滯回線；圖4為本發(fā)明實施例1退火樣品的釘扎場Hp及矯頑力Hc對溫度的依賴關系。
圖面說明圖1中1-基片，2-緩沖層，3-鐵磁層，4-反鐵磁CrPt層和5-保護層；圖2中1-基片，2-緩沖層，3-鐵磁層，4-[Pt/Cr]多層膜，5-保護層。
具體實施例方式圖1為本發(fā)明鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的結構。該材料的結構為基片1、緩沖層2、鐵磁層3、反鐵磁CrPt層4、和保護層5。
實施例1如圖2所示，鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的結構是玻璃基片1，緩沖層Ta 2，其厚度為5nm；鐵磁層Co0.9Fe0.13，其厚度為12nm；反鐵磁層多層膜[Pt/Cr]4，其中Pt厚度為1nm，Cr厚度為0.8nm，總厚度約為30nm；以及保護層Ta 5，其厚度為5nm。上述各層厚度或成分均為真空沉積樣品時或退火前的值。圖3為本發(fā)明實施例1的樣品制備態(tài)和經過350℃，5小時真空退火后用振動樣品磁強計測量出的磁滯回線，制備態(tài)時其矯頑力約為20奧斯特，沒有釘扎場，而退火后其產生了72奧斯特的釘扎場，矯頑力僅有少許的增加，值為28奧斯特，另外退火前后磁矩沒有明顯的變化(變化量≤6％)。圖4為該退火樣品的釘扎場Hp及矯頑力Hc對溫度的依賴關系，在溫度低于250℃時，釘扎場變化很小。系統的截至溫度約為600℃，比其它的釘扎體系(J.Magn.Magn.Mater.192，203(1999)；Handbook of magnetic materials，(North-Holland，Amsterdam，1999)，Vol.15，pp.157-166.)的截至溫度高150℃以上，熱穩(wěn)定性非常好。
實施例2鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系的結構依次是基片Si 1，緩沖層(Ni0.8Fe0.2)xCr1-x2，其中0.5＜X＜0.7，其厚度為5nm；鐵磁層Co0.9Fe0.13，其厚度為10nm；反鐵磁層多層膜[Pt/Cr]4其中，Pt厚度為1nm，Cr厚度為0.8nm，總厚度約為30nm；以及保護層Ta 5，其厚度為5nm。上述各層厚度或成分均為真空沉積樣品時或退火前的值。
實施例3
鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系的結構依次是基片Si1，緩沖層Ta 2，其厚度為5nm；鐵磁層Co 3，其厚度為10nm；反鐵磁層Cr0.5Pt0.54，其厚度為20nm，以及保護層Ta 5，其厚度為5nm。上述各層厚度或成分均為真空沉積樣品時或退火前的值。
下面以實施例1為例子，說明本發(fā)明的鐵磁/CrPt反鐵磁多層膜釘扎體系的制備方法。制備Co-Fe鐵磁/Pt-Cr反鐵磁多層膜釘扎體系的步驟如下首先采用真空沉積方法，如磁控濺射方法，本底真空度優(yōu)于10-5Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.5Pa，在Si基片1上依次鍍上緩沖層Ta 2(厚度為4nm)，鐵磁層Co0.9Fe0.13(厚度為12nm)，十七個周期的多層膜[Pt(厚度為1nm)/Cr(厚度為0.8nm)]，以及保護層Ta 5(厚度為5nm)；然后將樣品置于有方向平行于樣品易軸的外加磁場下，磁場強度約為102～103奧斯特，且本底真空度優(yōu)于10-4Pa，經過溫度為350℃，5小時退火。由于系統中多層膜的Pt層和Cr層都比較薄，在退火過程中Pt層和Cr層互相擴散，從而使制備態(tài)時的[Pt/Cr]多層膜轉變成為了化學有序的反鐵磁相合金CrPt。經振動樣品磁強計對其磁滯回線的測量(如圖3所示)和對其釘扎場Hp及矯頑力Hc對溫度依賴性(如圖4所示)的測量，證明該材料具有比較大的各向異性和非常好的熱穩(wěn)定性。
權利要求
1.一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，其特征在于，包括一基片和基片上依次設置的一緩沖層，用于誘導比較好的(111)織構的鐵磁層和反鐵磁CrPt層；一鐵磁層，設于緩沖層上；一反鐵磁層CrPt設于鐵磁層上，以及一用于防止鐵磁和反鐵磁層被氧化的保護層。
2.根據權利要求1所述的一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，其特征在于，所述的基片的材料選自硅或玻璃的一種。
3.根據權利要求1所述的一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，其特征在于，所述的緩沖層或保護層選自Ta、Cu或NiFeCr的一種。
4.根據權利要求1所述的一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，其特征在于，所述的鐵磁層選自Ni、Co、CoFe、NiFe或NiCo的一種。
5.一種制備權利要求1所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系的方法，其特征在于，包含以下步驟(1)采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、鐵磁層、反鐵磁CrPt層以及保護層；(2)將上述步驟所獲得的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系在一平行于樣品易軸方向的普通磁場強度的外加磁場下進行真空退火。
6.根據權利要求5所述的一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，其特征在于，所述步驟(1)中所采用的真空沉積法鍍膜時，本底真空氣壓優(yōu)于10-5Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.2～0.8Pa。
7.根據權利要求5所述的一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系，其特征在于，所述步驟(2)中的退火工藝的退火溫度為300～500℃、退火時間為1～20小時、本底真空優(yōu)于10-3Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎體系及其制備方法，該釘扎體系包括一基片和在基片上設置的一緩沖層、一被釘扎的鐵磁層以及一作為釘扎材料的反鐵磁層和設于其上的保護層。其制備方法是在基片上依次沉積各層并通過真空退火得到該釘扎體系。由本發(fā)明方法制備的釘扎體系采用CrPt作為反鐵磁釘扎材料，其對鐵磁層有比較大的釘扎作用，更為重要的是它極大地提高了體系的熱穩(wěn)定性和抗腐蝕能力，而且反鐵磁層和鐵磁層之間的原子擴散也大大地減少。該體系制備工藝簡單，材料性能穩(wěn)定。
文檔編號H01F1/00GK1588579SQ20041007365
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月2日 優(yōu)先權日2004年9月2日
發(fā)明者代波, 蔡建旺, 賴武彥 申請人:中國科學院物理研究所