自旋阀材料通过磁控溅射法沉积在Si/SiO₂(1μm) 基片上, 薄膜沉积过程中施加3.18×10³A/m的恒定外场。所制备的顶钉扎自旋阀材料以CrPtMn为反铁磁钉扎层, 具有Ta 4.0 nm/NiFeCo 4.5 nm/CoFe 1.5 nm/Cu 3.0 nm/CoFe 4.0 nm/CrPtMn 45.0 nm/Ta 4.0 nm的多层结构。薄膜溅射沉积过程中的工作气压通过改变氩气的气体流量调控。除CrPtMn钉扎层的溅射工作气压在0.2~0.8 Pa之间变化外, 其它各层的溅射工作气压固定在0.27 Pa。自旋阀多层膜沉积完成后, 在2.39×10⁵A/m的外场下, 于240 ℃退火2 h。四探针法被用于测试不同沉积气压下制备的自旋阀材料在退火前和退火后的磁阻曲线。振动样品磁强计(VSM)被用于测试不同温度下材料的磁滞回线, 从而确定交换耦合场 H_ex的温度特性。

自旋阀材料中的交换耦合场 H_ex可采用磁滞回线和磁阻曲线两种方法进行表征和分析, 两种曲线存在对应关系。图1(a)和(b)分别为自旋阀材料的磁滞回线和磁阻曲线示意图, 图中带箭头虚线和直线分别表示自由层磁化方向和被钉扎层磁化方向, 其磁化翻转过程如下所述。首先施加一个反向外场, 使被钉扎层与自由层的磁化方向都在负方向上(图1(a)中A点处), 此时通过两者界面的电子受到的自旋相关散射作用最弱, 自旋阀材料处于低阻态(图1(b)中A点处)。随后, 反向磁场逐渐减小, 通过零点后变为正向磁场, 当正向磁场强度超过了自由层的矫顽力及与被钉扎层之间由于橘皮耦合作用产生的耦合场 H_coup时, 自由层的磁化方向发生翻转, 与被钉扎层的磁化方向反平行(图1(a)中B点处), 此时通过两者界面的电子受到的自旋相关散射作用最强, 自旋阀材料处于高阻态(图1(b)中B点处); 当正向磁场继续增大, 超过了自旋阀材料中铁磁/反铁磁交换耦合强度 H_ex及被钉扎层的矫顽力时, 被钉扎层的磁化方向也发生翻转, 在图1(a)中C点处与自由层的磁化方向相同, 此时材料又处于低阻态((图1(b)中C点处)。可见, 随着正向外场不断增大, 自旋阀材料中先后发生两次磁化翻转过程, 分别为低场下自由铁磁层发生的磁化翻转和高场下被钉扎铁磁层发生的磁化翻转。随着自由层和被钉扎层的磁化方向先后翻转, 两者的相对磁化方向改变, 表现为自旋阀材料的磁阻的变化。反之亦然, 从图1(a)中C点处开始随着正向磁场减小到 H_ex磁场以下, 由于交换耦合作用, 被钉扎层的磁化方向首先发生翻转, 并在图1(a)中B点处与自由层磁化方向反向, 与之对应的图1(b)中, 材料由低阻态变为高阻态。当正向磁场继续减小至 H_coup以下时, 自由层的磁化方向开始翻转, 当正向磁场通过零点后变为负向磁场, 随着负向磁场增大, 在图1(a)中A点处自由层的磁化方向也完全变为负向, 图1(b)中对应的材料由高阻态变为低阻态。理论上, 正向磁化曲线与反向磁化曲线应该完全重合, 但由于自由层和被钉扎层材料中存在磁滞, 外加磁场必须克服材料中的矫顽力才能使其磁化方向完全翻转, 因此存在一个磁化翻转区间。图1中 H_c1和 H_c2分别表示自由层矫顽力和被钉扎层矫顽力大小。

图1

Fig. 1

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	图1 自旋阀材料的(a)磁滞回线和(b)磁阻曲线示意图Fig. 1 Schematics of hysteresis loop (a) and MR curve (b)

CrPtMn顶钉扎自旋阀材料沉积完成后, 材料中的CrPtMn钉扎层通常为面心立方(FCC)和少量面心四方(FCT)的混合阵列结构, 而CrPtMn材料只有在FCT结构时才表现为反铁磁特性^{[ 24, 25]}。因此, 为了增强材料的铁磁/反铁磁交换耦合强度, 需要进行退火处理, 将其中的CrPtMn钉扎层从FCC结构转变为FCT结构。图2(a)是退火前后, 材料中的交换耦合场 H_ex随沉积气压的变化关系。如图所示, 退火前自旋阀材料的交换耦合场 H_ex随CrPtMn层的沉积气压增加变化不大, 在0.2~0.8 Pa沉积气压区间, H_ex维持在7.96×10³A/m左右。然而, 经240 ℃退火2 h后, 自旋阀材料的交换耦合场 H_ex增大且呈现与CrPtMn钉扎层沉积时的工作气压相关的变化趋势, 沉积时工作气压越高, 退火后材料的 H_ex相对于退火前材料的 H_ex的增强程度越明显。随着氩气气压从0.2 Pa增加到0.8 Pa, H_ex从大约1.19×10⁴A/m增加到接近2.39×10⁴A/m。沉积时气压越高, 退火后自旋阀材料的交换耦合场 H_ex越大。从薄膜的沉积机理来看, 在较高的溅射工作气压下, 溅射出的粒子在到达基片之前受到气体的散射较强, 导致到达基片后迁移率较低, 从而生长出的薄膜的结晶性较差和晶粒尺寸较小。较小的晶粒尺寸有利于CrPtMn在退火过程中完成从FCC到FCT的相变。因而在较高的工作气压下沉积的CrPtMn层微观结构上晶粒尺寸会较小, 退火时FCC到FCT的相变过程更容易进行, 从而钉扎强度增强。该研究结论与类似材料体系PtMn的研究结论是一致的。An等在研究NiFe/PtMn 材料体系时用AFM表征材料的晶粒大小, 发现当PtMn材料的晶粒尺寸较小时, NiFe/PtMn双层材料体系的交换耦合强度比较高^{[ 26]}。如图2(b)所示, 在溅射工作气压为0.2 Pa时, 被钉扎层材料的矫顽力由退火前的2.23×10³A/m, 减小到退火后的1.43×10³A/m, 减小了8.0×10²A/m; 当溅射工作气压为0.8 Pa时, 被钉扎层材料的矫顽力 H_c2由退火前的2.55×10³A/m, 减小到退火后的1.11×10³A/m, 减小了1.44×10³A/m。以上结果表明退火后由于自旋阀材料的交换耦合作用增强, 被钉扎层的磁矩分散度减小, 从而被钉扎层的矫顽力 H_c2随之减小。在理论上, 被钉扎层的矫顽力 H_c2与被钉扎层材料本身的矫顽力及被钉扎层材料和钉扎层材料之间的交换耦合作用有关。被钉扎层材料本身的矫顽力受其微结构、杂质及其界面粗糙度的影响, 与溅射条件的关联度很大。在低压溅射时, 溅射粒子的迁移率较高, 薄膜的结晶度较好, 但会与前一层CoFe被钉扎层发生界面扩散。在高压溅射时, 溅射粒子的迁移率较低, 薄膜的结晶度较差, 但与前一层CoFe被钉扎层的界面较好。图2中被钉扎层的矫顽力 H_c2当气压适中为0.6 Pa时达到最大值, 应该与溅射粒子的迁移率及其由于迁移率大小导致的薄膜结晶度、界面扩散以及界面粗糙度有关。巨磁阻多层膜材料工艺与性能的关系一直以来都是一个重要的研究课题, 但关于材料工艺、微结构与性能的关系报道不多, 还有待进一步深入研究。

图2

Fig. 2

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	图2 交换耦合场(a)和被钉扎层的矫顽力(b)与沉积气压之间的关系Fig. 2 Dependence of the Hex (a) and Hc2 (b) on the CrPtMn deposition pressure

由于退火后自旋阀材料的钉扎作用增强, 分析了沉积气压为0.8 Pa下制备的CrPtMn顶钉扎自旋阀材料经过240 ℃退火2 h后的磁阻曲线。图3(a)和3(b)分别为材料在大场和小场范围的磁阻曲线。材料的巨磁电阻率GMR%大于6%。从图3(a)可以看出材料的 H_ex交换耦合场大小约为2.39×10⁴A/m, 从图3(b)可以看出自由层矫顽力 H_c1大小为2.79×10²A/m, 自由层与被钉扎层之间通过橘皮耦合作用产生的耦合场 H_coup大小为4.38×10²A/m。

图3

Fig. 3

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	图3 CrPtMn顶钉扎自旋阀材料的磁阻曲线Fig. 3 GMR curves of the CrPtMn pinned spin-valve(a) Major loop; (b) Minor loop

图4给出了自旋阀材料的交换耦合场 H_ex和被钉扎层矫顽力 H_c2与温度之间的关系。用于测试的自旋阀材料制备完成后经过240 ℃退火2 h。由图4可知, 室温时材料的交换耦合场 H_ex大小约为2.39×10⁴A/m, 随着温度升高交换耦合场 H_ex减小, 接近315 ℃时降为0 。交换耦合场消失的温度通常定义为失效温度 T_b, 所以CrPtMn的失效温度为315 ℃。考虑到被钉扎层是CoFe材料, 其居里温度远高于CrPtMn钉扎层的失效温度, 可以认为交换耦合场对温度的依赖性主要受CrPtMn反铁磁材料影响。随着温度升高, CrPtMn层的自旋结构的热扰动增强, 尤其是在与CoFe层的界面处, CrPtMn的反铁磁性随之逐渐减弱, 从而导致与CoFe被钉扎层之间的交换耦合作用逐渐减小。相反地, 由于温度升高引起的交换耦合作用下降导致被钉扎层的磁矩分散增加, 导致被钉扎层的矫顽力增大。图4中被钉扎层的矫顽力大小随着温度的升高而增大, 在290 ℃时达到最大值1.02×10⁴A/m, 随后温度继续升高, 交换耦合作用迅速减小, 其对被钉扎层CoFe的作用减小, 导致被钉扎层的矫顽力开始减小, 在350 ℃时减小到了1.75×10³A/m。当温度超过失效温度 T_b时, 由于交换耦合作用的消失, 此时CoFe铁磁被钉扎层对外场的响应特性与单层铁磁薄膜类似。

图4

Fig. 4

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	图4 交换耦合场 Hex和被钉扎层矫顽力 Hc2与温度之间的关系Fig. 4 Temperature dependence of the Hex and Hc2

实验成功制备了高质量的CrPtMn作为钉扎层的顶钉扎自旋阀材料。研究了自旋阀材料的交换耦合场 H_ex与材料的沉积气压和退火的关系, 测试分析了材料的交换耦合场的温度特性。沉积后的CrPtMn顶钉扎自旋阀材料的交换耦合场与薄膜沉积时的溅射工作气压关系不大, 但是交换耦合场较小约为7.96×10³A/m, 需要经过退火增强。可以发现退火后的自旋阀材料的交换耦合场增强, 且随着溅射工作气压的升高而增大。制备的CrPtMn顶钉扎自旋阀材料的整体性能优异, GMR%超过了6%, 交换耦合场约为2.39×10⁴A/m, 失效温度为315 ℃。