專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于自旋交換耦合的多層磁性薄膜及其制備方法，涉及一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料及其制備方法。該釘扎材料適用作磁電子學(xué)器件中的元件、可直接應(yīng)用于自旋閥和磁性隧道結(jié)。
背景技術(shù)：
：反鐵磁材料在磁電子學(xué)或者自旋電子學(xué)的元器件中，主要用作為釘扎層，其最基本的要求是有大的交換各向異性和高的熱穩(wěn)定性，以使該體系有高的Blocking溫度和大的釘扎場(chǎng)，但現(xiàn)有技術(shù)中的反鐵磁釘扎材料往往不能同時(shí)比較好地滿(mǎn)足這兩個(gè)基本條件。正如反鐵磁對(duì)鐵磁的交換偏置作用可以增強(qiáng)鐵磁顆粒的熱穩(wěn)定性一樣，反鐵磁與鐵磁的交換耦合作用也可以增強(qiáng)反鐵磁顆粒的熱穩(wěn)定性。R.Mattheis和K.Steenbeck曾把CoFe/Ru/CoFe人工反鐵磁與NiFe/IrMn交換偏置體系中的IrMn相耦合，利用CoFe/Ru/CoFe的單軸各向異性提高了IrMn的熱穩(wěn)定性，他們發(fā)現(xiàn)IrMn為1.2nm時(shí)交換偏置的Blocking溫度從IlOK增加到了360K。不過(guò)這項(xiàng)工作并沒(méi)有說(shuō)明IrMn熱穩(wěn)定性的增強(qiáng)與人工反鐵磁耦合強(qiáng)度以及人工反鐵磁中鐵磁層的關(guān)系。另外，本申請(qǐng)的發(fā)明人在研究工作中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腗n摻入到CrPt釘扎體系的界面時(shí)，可以使熱穩(wěn)定性獲得很大提高，我們認(rèn)為這是由于在界面形成了與CrPt結(jié)構(gòu)相似的反鐵磁(Crl-δMnδ)Pt，這兩種相似的反鐵磁產(chǎn)生交換耦合，從而在整個(gè)交換偏置體系中，結(jié)合了(Crl-δMnδ)Pt很強(qiáng)的交換各向異性和CrPt非常好的熱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了理想的釘扎效果=Blocking溫度Tb600°C和交換各向異性能Jex0.48erg/cm2。相似地，把兩種或幾種常用的反鐵磁釘扎材料，通過(guò)適當(dāng)?shù)拇钆?，與不同鐵磁材料耦合起來(lái)作為一種釘扎系統(tǒng)也可能會(huì)有更優(yōu)越的性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料及其制備方法。從而實(shí)現(xiàn)鐵磁與反鐵磁材料(比如FeMn、NiO,IrMn,NiMn,PtMn或PdMn等)通過(guò)界面耦合使其熱穩(wěn)定性及相應(yīng)的釘扎性能更加優(yōu)越。本發(fā)明的內(nèi)容是一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是包括一基片(基片材料選自硅或玻璃中的一種)，和在基片上依次設(shè)置的—緩沖層，用于誘導(dǎo)織構(gòu)的反鐵磁層；一鐵磁層(I)，設(shè)置于緩沖層上；一反鐵磁層，設(shè)置于鐵磁層(I)上；一鐵磁層(II)，設(shè)置于反鐵磁層上；以及一設(shè)置于鐵磁層(II)上的的保護(hù)層(用于防止磁性材料被氧化)。本發(fā)明的內(nèi)容中所述反鐵磁層為錳系反鐵磁材料FeMn、NiMn、PtMn、PdMn或IrMn等中的一種。本發(fā)明的內(nèi)容中所述鐵磁層(I)為硬磁材料SmCo、FePt等中的一種；所述的鐵磁層(II)為軟磁材料NiFe、Co或CoFe等中的一種。本發(fā)明的內(nèi)容中所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征是包括以下步驟a、采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、鐵磁層(I)、反鐵磁層、鐵磁層(II)和保護(hù)層，即制得釘扎材料的半成品；b、將該釘扎材料的半成品，在一平行于樣品易軸方向的普通磁場(chǎng)強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)下進(jìn)行真空退火，退火后即獲得成品。所述鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法中所述步驟a的真空沉積法鍍(膜)層時(shí)，本底真空氣壓優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.10.8Pa；所述步驟b中的退火工藝的退火溫度為350650°C、退火時(shí)間為0.55.0小時(shí)、本底真空優(yōu)于10_3Pa。本發(fā)明的另一內(nèi)容是一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是包括基片(基片材料選自硅或玻璃中的一種)，和在基片上依次設(shè)置的緩沖層，用于誘導(dǎo)織構(gòu)的反鐵磁層；第一鐵磁層，設(shè)置于緩沖層上；第一反鐵磁層，設(shè)置于第一鐵磁層上；第二鐵磁層，設(shè)置于第一反鐵磁層上；第二反鐵磁層，設(shè)置于第二鐵磁層上；以及設(shè)置于第二反鐵磁層上的保護(hù)層(用于防止第二反鐵磁層被氧化)。本發(fā)明的另一內(nèi)容中所述第一反鐵磁層為NiO或錳系反鐵磁材料FeMn或IrMn等中的一種；所述第二反鐵磁層為錳系反鐵磁材料FeMn、NiMn,PtMn,PdMn或IrMn等中的一種，或人工反鐵磁材料Co/Ru(tA)/Co、CoFe/Ru(tA)/CoFe、NiFe/Ru(tA)/NiFe、或Co/Cu/Co等中的一種。本發(fā)明的另一內(nèi)容中所述的第一鐵磁層和第二鐵磁層均為軟磁材料NiFe、Co或CoFe等中的一種。本發(fā)明的另一內(nèi)容中所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征是包括以下步驟a、采用真空沉積法，[在一普通磁場(chǎng)強(qiáng)度(1020e)的外加磁場(chǎng)下]在基片上依次鍍上緩沖層、第一鐵磁層、第一反鐵磁層、第二鐵磁層、第二反鐵磁層和保護(hù)層。本發(fā)明的另一內(nèi)容所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法中，采用所述的真空沉積法鍍(膜)層時(shí)，本底真空氣壓壓力優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.10.8Pa。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列特點(diǎn)和有益效果(1)本發(fā)明鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，通過(guò)選用硬磁材料例如SmCo、FePt等，與反鐵磁釘扎材料相耦合，從而提高交換偏置體系的熱穩(wěn)定性，最終使得系統(tǒng)的釘扎性能也獲得提高；即實(shí)現(xiàn)了鐵磁與反鐵磁材料(比如FeMn、NiO,IrMn、NiMn、PtMn或PdMn等)通過(guò)界面耦合使其熱穩(wěn)定性及相應(yīng)的釘扎性能更加優(yōu)越；(2)采用本發(fā)明方法制備的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(或稱(chēng)磁性多層膜材料、磁性多層膜體系)的不僅成功地實(shí)現(xiàn)了鐵磁/反鐵磁交換偏置，而且利用交換耦合作用，增強(qiáng)了反鐵磁材料的釘扎性能，使得鐵磁/反鐵磁交換偏置體系更加穩(wěn)定，更適合于磁電子學(xué)器件的應(yīng)用；(3)本發(fā)明通過(guò)把幾種常用的鐵磁/反鐵磁交換偏置體系，通過(guò)與適當(dāng)?shù)蔫F磁或鐵磁材料耦合起來(lái)作為一種釘扎系統(tǒng)，提高了反鐵磁的熱穩(wěn)定性能，同時(shí)系統(tǒng)的釘扎性能也獲得提高；這一系統(tǒng)可直接應(yīng)用于自旋閥和磁性隧道結(jié)；(4)本發(fā)明制備方法系在基片上采用磁控濺射依次沉積各層從而得到多層膜材料，制備工藝簡(jiǎn)單、材料性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。圖1為本發(fā)明實(shí)施例1、2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例3、4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例3鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)量曲線(xiàn)。圖1中1-基片，2-緩沖層，3-鐵磁層I，4-反鐵磁層，5_鐵磁層II，6_保護(hù)層；圖2中1_基片，2-緩沖層，3-第一鐵磁層，4-第一反鐵磁層，5-第二鐵磁層，6-第二反鐵磁層，7-保護(hù)層。具體實(shí)施例方式下面給出的實(shí)施例擬以對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不能理解為是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對(duì)本發(fā)明作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1:參見(jiàn)附圖1。一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(磁性多層膜體系)，順次由基片1、緩沖層2、鐵磁層I3、反鐵磁層4、鐵磁層II5和保護(hù)層6組成；各層材料和參數(shù)是1-基片Si，2-緩沖層Ta(厚度為lOnm)，3_鐵磁層ISmCo(厚度為50nm)，4-反鐵磁層FeMn或IrMn(厚度為IOnm)，5-鐵磁層IINiFe(厚度為15nm)，以及6-保護(hù)層Ta(厚度為5nm)；各層厚度或成分均為真空沉積樣品時(shí)或退火前的值；真空退火溫度為550°C，保溫0.5小時(shí)，真空度優(yōu)于10_4Pa。實(shí)施例2:參見(jiàn)附圖1。一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(磁性多層膜體系)，由基片1，在基片1上依次鍍上緩沖層2、鐵磁層I3、反鐵磁層4、鐵磁層II5和保護(hù)層6組成；各層材料和參數(shù)是1-基片Si，2-緩沖層Ta(厚度為lOnm)，3_鐵磁層IFePt(厚度為50nm)，4-反鐵磁層FeMn或IrMn(厚度為IOnm)，5-鐵磁層IINiFe(厚度為15nm)，以及6-保護(hù)層Ta(厚度為5nm)；上述各層厚度或成分均為真空沉積樣品時(shí)或退火前的值；真空退火溫度為600°C，保溫1小時(shí)，真空度優(yōu)于10_4Pa。實(shí)施例3:參見(jiàn)附圖2。一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(磁性多層膜體系)，由基片1，在基片1上依次鍍上緩沖層2、第一鐵磁層3、第一反鐵磁層4、第二鐵磁層5、第二反鐵磁層6和保護(hù)層7組成。各層材料和參數(shù)是1-基片Si，2_緩沖層Ta(厚度為5nm)，3-第一鐵磁層NiFe(厚度為15nm)，4-第一反鐵磁層FeMn(厚度為2.5nm)，5-第二鐵磁層NiFe(厚度為IOnm),6-第二反鐵磁層FeMn(厚度為lOnm)和7-保護(hù)層Ta(厚度為5nm)；上述各層厚度或成分均為真空沉積樣品時(shí)的值；附圖3為本實(shí)施例3的成品用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量出的磁滯回線(xiàn)；其2.5nmFeMn釘扎15nmNiFe的釘扎場(chǎng)為4.8X103A/m,矯頑力為0.75X103A/m.實(shí)施例4:參見(jiàn)附圖2。一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(磁性多層膜體系)，由基片1，在基片1上依次鍍上緩沖層2、第一鐵磁層3、第一反鐵磁層4、第二鐵磁層5、第二反鐵磁層6和保護(hù)層7組成。各層材料和參數(shù)是1-基片31，2-緩沖層1^(厚度為511111)，3-第一鐵磁層NiFe(厚度為15nm)，4_第一反鐵磁層NiO(厚度為lOnm)，5_第二鐵磁層NiFe(厚度為IOnm)，6-第二反鐵磁層FeMn(厚度為15nm)和7-保護(hù)層Ta(厚度為5nm)。上述各層厚度或成分均為真空沉積樣品時(shí)的值。實(shí)施例5—種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(磁性多層膜體系)的制備方法，以實(shí)施例3例，制備M-Fe鐵磁/Fe-Mn反鐵磁多層膜釘扎系統(tǒng)，其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0.3Pa，在I-Si基片上依次鍍上2-緩沖層Ta(厚度為5nm)、3_第一鐵磁層Ni80Fe20(厚度為15nm)、4_第一反鐵磁層FeMn(厚度為2.5nm)、5_第二鐵磁層Ni80Fe20(厚度為IOnm)、6_第二反鐵磁層FeMn(厚度為lOnm)以及7-保護(hù)層Ta(厚度為5nm)，經(jīng)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)其磁滯回線(xiàn)的測(cè)量和對(duì)其溫度熱穩(wěn)定性的測(cè)量，證明該材料具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，而且各向異性?xún)?yōu)越。實(shí)施例6-11參見(jiàn)附圖1。一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(磁性多層膜體系)，由基片1，在基片1上依次鍍上緩沖層2、鐵磁層I3、反鐵磁層4、鐵磁層II5和保護(hù)層6組成；各層材料見(jiàn)下表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例12一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，包括以下步驟a、采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、鐵磁層I、反鐵磁層、鐵磁層II和保護(hù)層，即制得釘扎材料的半成品；b、將該釘扎材料的半成品，在一平行于樣品易軸方向的普通磁場(chǎng)強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)下進(jìn)行真空退火，退火后即獲得成品；所述步驟a的真空沉積法鍍層時(shí)，本底真空氣壓優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.IPa；所述步驟b中的退火工藝的退火溫度為350°C、退火時(shí)間為0.5小時(shí)、本底真空優(yōu)于l(T3Pa。其它同實(shí)施例1、2或?qū)嵤├?-11中任一，略。實(shí)施例13一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，包括以下步驟a、采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、鐵磁層I、反鐵磁層、鐵磁層II和保護(hù)層，即制得釘扎材料的半成品；b、將該釘扎材料的半成品，在一平行于樣品易軸方向的普通磁場(chǎng)強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)下進(jìn)行真空退火，退火后即獲得成品；所述步驟a的真空沉積法鍍層時(shí)，本底真空氣壓優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.4Pa；所述步驟b中的退火工藝的退火溫度為350°C、退火時(shí)間為5.0小時(shí)、本底真空優(yōu)于l(T3Pa。其它同實(shí)施例1、2或?qū)嵤├?-11中任一，略。實(shí)施例14一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，包括以下步驟a、采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、鐵磁層I、反鐵磁層、鐵磁層II和保護(hù)層，即制得釘扎材料的半成品；b、將該釘扎材料的半成品，在一平行于樣品易軸方向的普通磁場(chǎng)強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)下進(jìn)行真空退火，退火后即獲得成品；所述步驟a的真空沉積法鍍層時(shí)，本底真空氣壓優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.8Pa；所述步驟b中的退火工藝的退火溫度為500°C、退火時(shí)間為3.0小時(shí)、本底真空優(yōu)于l(T3Pa。其它同實(shí)施例1、2或?qū)嵤├?-11中任一，略。實(shí)施例15-20參見(jiàn)附圖1。一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料(磁性多層膜體系)，由基片1，在基片1上依次鍍上緩沖層2、第一鐵磁層3、第一反鐵磁層4、第二鐵磁層5、第二反鐵磁層6和保護(hù)層7組成；各層材料見(jiàn)下表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實(shí)施例21一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，包括以下步驟采用真空沉積法，在基片1上依次鍍上緩沖層2、第一鐵磁層3、第一反鐵磁層4、第二鐵磁層5、第二反鐵磁層6和保護(hù)層7；采用所述真空沉積法鍍層時(shí)，本底真空氣壓壓力優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.8Pa。其它同實(shí)施例3、4或?qū)嵤├?5-20中任一，略。實(shí)施例22:一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，包括以下步驟采用真空沉積法，在基片1上依次鍍上緩沖層2、第一鐵磁層3、第一反鐵磁層4、第二鐵磁層5、第二反鐵磁層6和保護(hù)層7；采用所述真空沉積法鍍層時(shí)，本底真空氣壓壓力優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.IPa0其它同實(shí)施例3、4或?qū)嵤├?5-20中任一，略。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本
發(fā)明內(nèi)容所述均可實(shí)施并具有所述良好效果。權(quán)利要求一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是包括一基片，和在基片上依次設(shè)置的一緩沖層，用于誘導(dǎo)織構(gòu)的反鐵磁層；一鐵磁層(I)，設(shè)置于緩沖層上；一反鐵磁層，設(shè)置于鐵磁層(I)上；一鐵磁層(II)，設(shè)置于反鐵磁層上；以及一設(shè)置于鐵磁層(II)上的的保護(hù)層。2.按權(quán)利要求1所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是所述反鐵磁層為錳系反鐵磁材料FeMn、NiMn、PtMn、PdMn或IrMn中的一種。3.按權(quán)利要求1所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是所述鐵磁層(I)為硬磁材料SmCo、FePt中的一種；所述的鐵磁層(II)為軟磁材料NiFe、Co或CoFe中的一種。4.按權(quán)利要求1所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征是包括以下步驟a、采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、鐵磁層(I)、反鐵磁層、鐵磁層(II)和保護(hù)層，即制得釘扎材料的半成品；b、將該釘扎材料的半成品，在一平行于樣品易軸方向的普通磁場(chǎng)強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)下進(jìn)行真空退火，退火后即獲得成品。5.按權(quán)利要求4所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征是所述步驟a的真空沉積法鍍層時(shí)，本底真空氣壓優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.10.8Pa；所述步驟b中的退火工藝的退火溫度為350650°C、退火時(shí)間為0.55.0小時(shí)、本底真空優(yōu)于10_3Pa。6.一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是包括基片，和在基片上依次設(shè)置的緩沖層，用于誘導(dǎo)織構(gòu)的反鐵磁層；第一鐵磁層，設(shè)置于緩沖層上；第一反鐵磁層，設(shè)置于第一鐵磁層上；第二鐵磁層，設(shè)置于第一反鐵磁層上；第二反鐵磁層，設(shè)置于第二鐵磁層上；以及設(shè)置于第二反鐵磁層上的保護(hù)層。7.按權(quán)利要求6所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是所述第一反鐵磁層為NiO或錳系反鐵磁材料FeMn或IrMn中的一種；所述第二反鐵磁層為錳系反鐵磁材料FeMn、NiMn、PtMn、PdMn或IrMn中的一種，或人工反鐵磁材料Co/Ru(tA)/Co、CoFe/Ru(tA)/CoFe、NiFe/Ru(tA)/NiFe、或Co/Cu/Co中的一種。8.按權(quán)利要求6所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征是所述的第一鐵磁層和第二鐵磁層均為軟磁材料NiFe、Co或CoFe中的一種。9.按權(quán)利要求6所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征是包括以下步驟a、采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、第一鐵磁層、第一反鐵磁層、第二鐵磁層、第二反鐵磁層和保護(hù)層。10.按權(quán)利要求9所述的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征是采用所述的真空沉積法鍍層時(shí)，本底真空氣壓壓力優(yōu)于10_4Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.10.8Pa。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料及其制備方法，該多層膜釘扎材料包括基片和在基片上設(shè)置的緩沖層、鐵磁層I、反鐵磁層、鐵磁層II和設(shè)于其上的保護(hù)層；其制備方法是在基片上采用磁控濺射依次沉積各層得到該多層膜材料。采用本發(fā)明方法制備的多層膜釘扎材料，不僅成功地實(shí)現(xiàn)了鐵磁/反鐵磁交換偏置，而且利用交換耦合作用，增強(qiáng)了反鐵磁材料的釘扎性能，使得鐵磁/反鐵磁交換偏置體系更加穩(wěn)定，更適合于磁電子學(xué)器件的應(yīng)用；制備工藝簡(jiǎn)單、材料性能穩(wěn)定。文檔編號(hào)H01F10/10GK101834053SQ20101017728公開(kāi)日2010年9月15日申請(qǐng)日期2010年5月19日優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日發(fā)明者代波,蔣慶林,邢永燕申請(qǐng)人:西南科技大學(xué)