專利名稱：一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
鐵磁(FM) /反鐵磁(AFM)雙層薄膜在外磁場(chǎng)中從高于反鐵磁材料奈爾溫度冷卻到室溫，或者在磁場(chǎng)下沉積后，鐵磁層的磁滯回線將沿磁場(chǎng)方向偏離原點(diǎn)，磁滯回線偏離原點(diǎn)的量被稱為釘扎場(chǎng)，而釘扎場(chǎng)的方向平行于冷卻過(guò)程或沉積過(guò)程中的外磁場(chǎng)方向。由于FM/ AFM雙層膜中的這種特殊性能，使其被應(yīng)用到了磁電阻傳感器、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器等基于自旋閥(其基本結(jié)構(gòu)為自由層(鐵磁層FMl) /隔離層(非磁性層金屬層)/被釘扎層(鐵磁層 FM2)/偏置層(反鐵磁層AFM))或隧道結(jié)(其基本結(jié)構(gòu)為自由層(鐵磁層FMl)/隧穿層 (超薄氧化物層)/被釘扎層(鐵磁層FM2)/偏置層(反鐵磁層AFM))典型結(jié)構(gòu)的自旋電子器件中。由于在自旋閥或隧道結(jié)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，特別是在其作為傳感器應(yīng)用時(shí)，其傳感性能決定于鐵磁層FM2與鐵磁層FMl磁矩的相對(duì)取向。如在自旋閥或隧道結(jié)作為線性傳感器時(shí)，需要鐵磁層FM2的磁矩與鐵磁層FMl的磁矩呈90 °取向，而在某些新型傳感器構(gòu)建中需要鐵磁層FM2的磁矩與鐵磁層FMl的磁矩呈所需要的夾角。由于鐵磁層FMl的磁矩取向由該層材料的材料屬性、形狀各向異性等所決定，因而在制備完成后不易調(diào)整，而鐵磁層FM2的磁矩取向與釘扎場(chǎng)方向一致，因而通常通過(guò)調(diào)制釘扎場(chǎng)方向進(jìn)行鐵磁層FM2與鐵磁層FMl磁矩取向的調(diào)整。目前對(duì)于鐵磁層FM2釘扎場(chǎng)方向的調(diào)整一般采用以下兩種方式進(jìn)行一是在自旋閥或隧道結(jié)多層薄膜沉積過(guò)程中，力口上一確定方向的沉積磁場(chǎng)，先沿沉積磁場(chǎng)方向誘導(dǎo)鐵磁層FMl的磁矩取向，這樣在多層膜沉積完成后鐵磁層FMl及鐵磁層FM2的磁矩將處于平行的取向，而后在退火設(shè)備中將多層膜加熱到反鐵磁材料奈爾溫度以上，在冷卻過(guò)程中沿所需角度方向加一外磁場(chǎng)，重新設(shè)置鐵磁層FM2的釘扎場(chǎng)方向，以達(dá)到調(diào)制鐵磁層FMl與鐵磁層FM2間磁矩角度的目的；第二種方法則是在自旋閥或隧道結(jié)多層薄膜沉積過(guò)程中按兩步沉積法進(jìn)行，首先在鐵磁層FMl 沉積過(guò)程中先加上一確定方向的沉積磁場(chǎng)，用于誘導(dǎo)其磁矩取向，在鐵磁層FMl沉積完成鐵磁層FM2沉積開(kāi)始前旋轉(zhuǎn)沉積磁場(chǎng)取向到需要角度，用于設(shè)定鐵磁層FM2的交換偏置場(chǎng) (釘扎場(chǎng))方向。但采用方法一進(jìn)行兩層磁性層角度設(shè)置時(shí)需要額外的退火過(guò)程，且在退火過(guò)程中容易造成自旋閥或隧道結(jié)層間擴(kuò)散嚴(yán)重而劣化其性能；而采用方法二由于需要按要求調(diào)整沉積磁場(chǎng)方向，因而磁場(chǎng)下沉積部分系統(tǒng)需專門(mén)設(shè)計(jì)，費(fèi)用高，且在鐵磁層FMl與 FM2角度設(shè)置后，如還需進(jìn)行角度調(diào)整則無(wú)法完成。由于在自旋閥或隧道結(jié)典型結(jié)構(gòu)中，自由層(鐵磁層FMl)的磁矩取向與薄膜沉積過(guò)程中的磁場(chǎng)方向一致，因而只要實(shí)現(xiàn)鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制，即可使鐵磁層FMl與鐵磁層FM2的磁矩呈所需要的夾角。因此，如能按需要調(diào)制鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)的方向，將大大簡(jiǎn)化該類器件的制備步驟和降低生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)設(shè)備的依賴性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、 易控，無(wú)需高溫退火處理，在室溫下就能按需求調(diào)制釘扎場(chǎng)場(chǎng)的方向以滿足應(yīng)用。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制方法，包括以下步驟步驟1 采用薄膜沉積工藝并在外磁場(chǎng)Hl作用下，制備鐵磁(FM) /反鐵磁(AFM)雙層膜。所述鐵磁/反鐵磁雙層膜中，鐵磁層可選擇的合金，反鐵磁層可選用FeMn、NiMn、IrMn或PtMn合金。所述外磁場(chǎng)Hl為單一方向、大小恒定的磁場(chǎng)，其方向沿膜面、大小在500e 3000e 之間。只需特別指出的是，步驟1制備完成的鐵磁/反鐵磁雙層膜，其釘扎場(chǎng)Hex的方向與外磁場(chǎng)Hl方向一致，并且定義該方向?yàn)獒斣鷪?chǎng)Hex的初始方向。步驟2 在步驟1所得的鐵磁/反鐵磁雙層膜中以釘扎場(chǎng)Hex的初始方向?yàn)槠瘘c(diǎn)， 沿角度θ方向施加外磁場(chǎng)Η2，如圖1所示，所述外磁場(chǎng)Η2的大小應(yīng)大于釘扎場(chǎng)Hex與鐵磁層矯頑力之和，同時(shí)在該雙層膜膜面沿外磁場(chǎng)H2方向施加一脈沖電流，所述脈沖電流的電流密度應(yīng)大于105A/cm2，作用完成后，即可產(chǎn)生沿角度θ方向的新釘扎場(chǎng)。本發(fā)明的基本原理可以描述如下由于外磁場(chǎng)Η2大于釘扎場(chǎng)Hex與鐵磁層矯頑力之和，因而在其作用下可使鐵磁層的磁矩取向沿外磁場(chǎng)H2，因此當(dāng)沿該方向加以脈沖電流時(shí)，流過(guò)鐵磁層的電子將被磁性層所極化使其自旋取向也沿外磁場(chǎng)H2的方向，如圖2所示。當(dāng)電流流經(jīng)鐵磁層和反鐵磁層的交界面時(shí)，這些自旋極化的電子會(huì)將其所攜帶的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給鐵磁層和反鐵磁層交界面的凈磁矩，使交界面的凈磁矩遭受一力矩作用而改變?nèi)∠颍醋孕D(zhuǎn)矩效應(yīng)，且該力矩大小與電流大小呈正比，其作用將使鐵磁層/反鐵磁層界面的凈磁矩的方向趨于自旋極化電子自旋的取向，也就是外磁場(chǎng)H2的方向。由于鐵磁層/反鐵磁雙層膜的釘扎場(chǎng)方向由界面凈磁矩的方向所決定，因而在外磁場(chǎng)和脈沖電流的同時(shí)作用下，鐵磁/反鐵磁雙層膜的釘扎場(chǎng)方向?qū)⒅匦氯∠蛴谕獯艌?chǎng)H2的方向。因此，本發(fā)明采用沿所需角度θ方向同時(shí)施加外磁場(chǎng)Η2和脈沖電流，可沿外磁場(chǎng)Η2方向誘導(dǎo)新方向的釘扎場(chǎng)，方便地對(duì)鐵磁/反鐵磁雙層膜的釘扎場(chǎng)方向進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)調(diào)制鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)的方向，而無(wú)需在制備過(guò)程中改變沉積磁場(chǎng)方向或沉積完成后在外磁場(chǎng)中退火實(shí)現(xiàn)對(duì)其角度的調(diào)整，大大簡(jiǎn)化了制備步驟，降低了對(duì)專用設(shè)備的依賴；另外，在釘扎場(chǎng)方向設(shè)定完成后，可通過(guò)重新設(shè)置外磁場(chǎng)Η2的方向在電流脈沖作用下重新調(diào)制該雙層膜的釘扎場(chǎng)方向，增加了應(yīng)用的靈活性。


圖1是鐵磁/反鐵磁雙層膜中電流脈沖及外磁場(chǎng)Η2作用示意圖。圖2是鐵磁層和反鐵磁層交界面凈磁矩在自旋轉(zhuǎn)矩的作用下重取向示意圖。圖3是鐵磁/反鐵磁雙層膜在電流脈沖作用前后沿(a)0°及(b)45°測(cè)試的磁滯回線。具體實(shí)例鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向與釘扎場(chǎng)初始方向呈θ度(θ = 45,90,135及 180)的調(diào)制的方法，包括以下步驟步驟1 采用薄膜沉積工藝并在外磁場(chǎng)作用下，制備四片鐵磁/反鐵磁雙層膜。所述鐵磁/反鐵磁雙層膜制備時(shí)所選基片為高阻Si基片，基片尺寸為IOX 10mm， 鐵磁層材料選附狗，反鐵磁材料選IrMn，沉積磁場(chǎng)Hl為lOOOe，方向沿基片表面，該方向定義為θ =0°。沉積完成后，選擇制備的四片薄膜中的一片采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)沿沉積磁場(chǎng)方向測(cè)試其磁滯回線，并從磁滯回線上確定釘扎場(chǎng)及鐵磁層矯頑力(該樣品釘扎場(chǎng)與鐵磁層矯頑力之和為lllOe)。步驟2:磁滯回線測(cè)試完成后，以釘扎場(chǎng)初始方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，沿θ =45°方向施加外磁場(chǎng)Η2(大小為1500e)并同時(shí)在該雙層膜膜面沿外磁場(chǎng)H2方向施加一脈沖電流，脈沖電流密度為1. 2X105A/cm2,電流脈沖作用時(shí)間為100ms，作用完成后采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)沿外磁場(chǎng)H2方向測(cè)試其磁滯回線，電流脈沖作用前后沿0°及45°測(cè)試的磁滯回線如圖3所示，可見(jiàn)在電流脈沖沿θ =45°方向施加外磁場(chǎng)Η2后，釘扎場(chǎng)方向由初始的沿θ = 0° 變化為了 θ =45°。步驟3 重復(fù)步驟1-2，調(diào)制其余三片樣品的釘扎場(chǎng)方向與初始釘扎場(chǎng)方向呈θ度 (θ = 90,135 及 180° )。
權(quán)利要求
1.一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制方法，包括以下步驟步驟1 采用薄膜沉積工藝并在外磁場(chǎng)Hl作用下，制備鐵磁/反鐵磁雙層膜； 所述外磁場(chǎng)Hl為單一方向、大小恒定的磁場(chǎng)，其方向沿膜面、大小在500e 3000e之間；步驟1制備完成的鐵磁/反鐵磁雙層膜，其釘扎場(chǎng)Hex的方向與外磁場(chǎng)Hl方向一致， 并且定義該方向?yàn)獒斣鷪?chǎng)Hex的初始方向；步驟2 在步驟1所得的鐵磁/反鐵磁雙層膜中以釘扎場(chǎng)Hex的初始方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，沿角度θ方向施加外磁場(chǎng)Η2，所述外磁場(chǎng)Η2的大小應(yīng)大于釘扎場(chǎng)Hex與鐵磁層矯頑力之和， 同時(shí)在該雙層膜膜面沿外磁場(chǎng)H2方向施加一脈沖電流，所述脈沖電流的電流密度應(yīng)大于 105A/cm2，作用完成后，即可產(chǎn)生沿角度θ方向的新釘扎場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制方法，其特征在于， 所述鐵磁/反鐵磁雙層膜中，鐵磁層材料為Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，反鐵磁層材料為 FeMn、NiMn、IrMn 或 PtMn 合金。
全文摘要
一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向的調(diào)制方法，屬于磁性材料與元器件領(lǐng)域。首先外磁場(chǎng)H1作用下沉積鐵磁/反鐵磁雙層膜(釘扎場(chǎng)的方向與外磁場(chǎng)H1方向一致，定義為釘扎場(chǎng)初始方向)；然后在所得鐵磁/反鐵磁雙層膜中以釘扎場(chǎng)初始方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，沿角度θ方向施加大于釘扎場(chǎng)Hex與鐵磁層矯頑力之和的外磁場(chǎng)H2，同時(shí)沿外磁場(chǎng)H2方向施加一電流密度大于105A/cm2的脈沖電流，即可產(chǎn)生沿角度θ方向的新釘扎場(chǎng)。本發(fā)明利用自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)調(diào)制鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場(chǎng)方向，大大簡(jiǎn)化了制備步驟，降低了對(duì)專用設(shè)備的依賴；另外，在釘扎場(chǎng)方向設(shè)定完成后，可通過(guò)重新設(shè)置外磁場(chǎng)H2的方向在電流脈沖作用下重新調(diào)制該雙層膜的釘扎場(chǎng)方向，增加了應(yīng)用的靈活性。
文檔編號(hào)H01F41/00GK102496449SQ20111040067
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者唐曉莉, 張懷武, 蘇樺, 荊玉蘭, 鐘智勇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)