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稀有金属 2015,39(01),23-28 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.01.004

NiO和(Pt/Co)多层膜的交换耦合作用及对其矫顽力的影响

刘帅 俱海浪 刘洋 李宝河 于广华

北京科技大学材料科学与工程学院

北京工商大学理学院

摘 要：

研究了用磁控溅射法制备的(Pt/Co)多层膜和绝缘体反铁磁材料NiO之间的磁学和晶体学相互作用。室温下,当NiO覆盖在(Pt/Co)多层膜上面且NiO厚度大于25 nm时观察到了交换偏置,偏置场随NiO厚度的增加而增大。但总体上偏置场(HE)很小,对应NiO厚度为120nm时偏置场不到4000 A·m-1。NiO在(Pt/Co)多层膜下面时没有观察到交换偏置,但是对多层膜的矫顽力和垂直磁各向异性产生了很大影响。(Pt/Co)多层膜的矫顽力随NiO厚度的增加呈现非单调衰减趋势,当NiO厚度为1和3 nm时,矫顽力分别出现极小值和极大值,厚度超过3 nm的NiO使矫顽力单调下降,直至减小到接近零。(Pt/Co)多层膜的垂直磁各向异性随底层NiO厚度的增加逐渐变弱,最后垂直方向变为难轴。矫顽力和垂直磁各向异性的这种变化是由超薄NiO和(Pt/Co)多层膜之间可能存在的邻近效应,弱晶化NiO对(Pt/Co)多层膜(111)织构的影响以及NiO与(Pt/Co)多层膜之间的交换耦合共同作用造成的。

关键词：

交换耦合;交换偏置;(Pt/Co)多层膜;NiO;

中图分类号： O484

作者简介：刘帅(1984-),男,河北保定人,博士研究生;研究方向:磁性薄膜材料及器件;E-mail:shuai.liu@hotmail.com;;于广华,教授;电话:010-62332342;E-mail:ghyu@mater.ustb.edu.cn;

收稿日期：2014-05-21

基金：国家自然科学基金项目(51371027,11174020)资助;

Exchange Coupling between NiO and(Pt/Co) Multilayer and Control of Multilayer's Coercivity

Liu Shuai Ju Hailang Liu Yang Li Baohe Yu Guanghua

School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing

School of Science,Beijing Technology and Business University

Abstract：

The magnetic and crystallographic interaction between(Pt/Co) multilayer and insulating antiferromagnetic NiO layer prepared by magnetron sputtering was explored. Room-temperature exchange bias was observed in(Pt/Co)-NiO system when NiO layer was thicker than 25 nm and deposited on top of(Pt/Co) multilayer. The exchange bias field(HE),which increased with the NiO layer thickness increasing,was generally very small(about 4000 A·m- 1corresponding to 120 nm thick NiO layer). When the NiO layer was deposited below the(Pt/Co) multilayer,no exchange bias was detected,but the coercivity(HC) and perpendicular magnetic anisotropy of the(Pt/Co) multilayer were greatly affected. With the thickness of the NiO layer increasing,the coercivity exhibited a nonmonotonic decay. 1 and 3 nm thick NiO layers corresponded to the minimum and maximum values of the coercivity,respectively. Thicker NiO layer exceeding 3 nm reduced the coercivity to near zero. The perpendicular magnetic anisotropy of the(Pt/Co) multilayer got weakened by NiO underlayer and finally the vertical direction became hard axis. This phenomenon was ascribed to the possible proximity effect between thin NiO layer and ferromagnetic(Pt/Co) multilayer,the effect of weak crystallized NiO layer on the(111) texture of(Pt/Co) multilayer and the exchange coupling between NiO layer and(Pt/Co) multilayer.

Keyword：

exchange coupling; exchange bias; (Pt/Co) multilayer; NiO;

Received： 2014-05-21

( Pt/Co) 多层膜自1988年被发现以来就以其良好的垂直磁各向异性而受到了广泛关注^[1]。随着自旋电子学的发展,为了克服自旋阀和隧道结中面内磁各向异性材料在元件尺寸缩小时的卷曲效应以及降低自旋转移矩效应的电流密度,( Pt/ Co) 多层膜被广泛应用到具有垂直磁各向异性的自旋阀和磁隧道结构中^[2,3,4],这些自旋阀和隧道结既可以用于硬盘读头和传感器,还可用于磁电阻随机存储器( MRAM) ,MRAM以其高速、低能耗、高密度、非挥发性等优点而被认为是最有前景的下一代存储器。( Pt/Co) 多层膜除上面提到的应用外还可用于反常霍尔效应元件^[5]、畴壁移动记忆单元^[6]、高频自旋转移矩振荡器等^[7]。总之,( Pt/ Co) 多层膜是自旋电子学中有着极大应用前景的材料体系。在( Pt/Co) 多层膜的实际应用过程中,都要求其有适当的矫顽力^[8],某些情况下还要求它和反铁磁材料耦合作用以产生适当的交换偏置场^[9]。常见的和( Pt/Co) 多层膜产生交换偶合作用的反铁磁材料有Fe Mn^[10],Ir Mn^[11],但由于它们都是金属,所以在磁输运的测量过程中会产生分流作用而影响磁电阻的大小,而大的磁电阻在自旋电子学材料的应用过程中具有重要意义^[12]。同它们相比绝缘体反铁磁材料Ni O不仅不会在测量过程中导致分流,同时还能通过对电子进行镜面反射从而改善元件的相关输出特性^[13],所以研究Ni O和具有垂直磁各向异性材料体系( Pt / Co) 多层膜的交换耦合作用在自旋电子学中有着重要意义。以往报道Ni O和( Pt/Co) 多层膜的交换耦合作用多在低温范围^{[14,15,16,17,18]},但磁性元件在实际应用过程中的温度多为室温,所以本文研究了Ni O和( Pt/Co) 多层膜之间在室温下的交换耦合相互作用,同时还研究了通过Ni O对 ( Pt/Co) 多层膜矫顽力的调控。

1 实 验

样品均采用磁控溅射法制备,溅射气体为0. 5 Pa Ar气,本底真空优于3. 0×10^{- 5}Pa,其中Co和Pt为直流溅射,溅射速率分别为0. 083和0. 130 nm·s^{- 1},Ni O为射频溅 射,溅射速率 为0. 036 nm·s^{- 1}。首先在玻璃基片上沉积20 nm Pt缓冲层, 其后沉积所需的铁磁层和反铁磁层,最上面再覆盖2 nm Pt保护层,样品制备过程中在垂直膜面方向施加1. 6×10⁴A·m^{- 1}的磁场。利用交变梯度磁强计( AGFM) 测试样品的磁滞回线( M-H回线) 且所加磁场方向也垂直于膜面,从磁滞回线可以得出样品的矫顽力( H_C) 和交换偏置场( H_E) ,H_C= ( H_R- H_L) /2,H_E= ( H_R+ H_L) /2 ( H_R和H_L分别为右和左反转磁场) 。利用X射线衍射( XRD,Cu Kα) 分析样品的晶体结构。样品的制备和测试均在室温下进行。

2 结果与讨论

相比在交换耦合体系中常见的金属反铁磁材料,如Fe Mn和Ir Mn,相同厚度的绝缘体反铁磁材料Ni O截止温度,即交换偏置消失的温度( T_B) 比较低,Liu和Adenwalla^[14]以1. 1 nm Ni O为反铁磁材料和( Pt/Co) 多层膜相互作用,发现其截止温度为T_B= 220 K。如果想在室温下利用Ni O的反铁磁性产生交换偏置,就必须提高其截止温度,这其中一个简单的办法就是增加Ni O的厚度,因为随着厚度的增加,反铁磁的截止温度也单调升高^[14]。图1所示为Ni O的厚度分别为25,50,80,120 nm时,两个系列样品S_top,S_sub( S_top: Pt( 20 nm) /[Pt( 2 nm) / Co( 0. 3 nm) ]₄/ Ni O( t_{Ni O}) /Pt( 2 nm) ,S_sub: Pt ( 20 nm) /Ni O( t Ni O) /[Co( 0. 3 nm) /Pt( 2 nm) ]4 / Pt( 2 nm) ) 的磁滞回线。从图1中可见,当Ni O在 ( Pt/Co) 多层膜上面时磁滞回线均向右偏移,可以观察到明显的室温交换偏置现象。

图2所示为S_top系列样品的矫顽力和偏置场随Ni O厚度的变化,可以看到随着Ni O厚度的增加, 交换偏置场( H_E) 也逐渐增加,同时矫顽力( H_C) 也有明显的提升。本实验中在t_{Ni O}= 25 nm时,观察到了极小的仅为720 A·m^{- 1}的交换偏置场,这说明25 nm刚刚超过室温下Ni O产生交换偏置的临界厚度值,这与之前文献报道Ni O的厚度约为20 nm时其截止温度T_B= 300 K的实验结果一致^[14]。在温度低于T_B时,交换偏置场随反铁磁材料厚度的增加先呈单调递增的趋势,而后趋于一稳定值^[19], 从图2中可以看到,用Ni O钉扎[Co( 0. 3 nm) /Pt ( 2 nm) ]₄周期层时,对应Ni O厚度为120 nm时, 偏置场( H_E) 上升到3760 A·m^{- 1},且从H_E随t_{Ni O}上升的趋势看已接近饱和值,由此我们估计此体系的极限交换偏置场应在4000 A·m^{- 1}左右。

图 1 Stop和 Ssub系列样品对应不同 Ni O 厚度的磁滞回线 Fig. 1 Hysteresis loops for Stopand Ssubsamples with different Ni O layer thicknesses

( a) t_{Ni O}= 25 nm; ( b) t_{Ni O}= 50 nm; ( c) t_{Ni O}= 80 nm,( d) t_{Ni O}= 120 nm

从图1中还可以看到,当Ni O在( Pt/Co) 多层膜上面时,观察到交换偏置的同时( Pt/Co) 多层膜也保持了良好的垂直磁各向异性。然而当Ni O在 ( Pt/Co) 多层膜下面时不仅没有观察到交换偏置而且( Pt/Co) 多层膜的磁各向异性也发生了明显的改变,如图1( a) ~ ( d) S_sub样品的磁滞回线所示。当t_{Ni O}= 25 nm时,( Pt / Co) 多层膜虽然仍具有垂直磁各向异性但矫顽力仅为800 A·m^{- 1}; 而当t_{Ni O}= 50, 80和120 nm时,( Pt / Co) 多层膜的垂直磁滞回线为通过原点的几乎没有磁滞的闭合曲线,这表明此时垂直方向已变为多层膜的难轴,这使我们想到利用合适的Ni O厚度可以调控( Pt/Co) 多层膜的磁各向异性和矫顽力。为了进一步细致研究Ni O在( Pt/Co) 多层膜下面的情况,制备了以下一系列样品: Pt( 20 nm) /Ni O( t_{Ni O}) /[Co( 0. 3 nm) /Pt( 2 nm) ]₄/ Pt( 2 nm) ,t_{Ni O}= 0,0. 5,1. 0,2. 0,4. 0, 8. 0,16. 0 nm。

图3( a) 所示为系列样品的磁滞回线,从图3中可以看到对应底层Ni O厚度为0 ~ 16 nm时,( Pt/ Co) 多层膜均保持了垂直磁各向异性,但是所有样品都未发现交换偏置。图3( b) 为样品的矫顽力随Ni O厚度的变化,可以看到随着Ni O厚度的增加, ( Pt/Co) 多层膜的矫顽力( H_C) 呈现非单调的衰减趋势。当Ni O层很薄时,矫顽力随厚度的增加快速下降,在1 nm左右达到极小值,当厚度再增加时矫顽力又逐渐上升,在3 nm左右达到极大值,超过3 nm后,矫顽力随厚度的增加单调递减。

图 2 Pt( 20 nm) /[Pt( 2 nm) /Co( 0. 3 nm) ]₄/ Ni O( t_{Ni O}) /Pt ( 2 nm) 的矫顽力和交换偏置场随 Ni O 厚度的变化 Fig. 2 Variations of coercivity and exchange bias field with Ni O layer thickness for Pt ( 20 nm ) /[Pt ( 2 nm ) / Co ( 0. 3 nm) ]₄/ Ni O( t_{Ni O}) /Pt( 2 nm)

图 3 Pt( 20 nm) /Ni O( t_{Ni O}) /[Co( 0. 3 nm) /Pt( 2 nm) ]₄/ Pt ( 2 nm) 系列样品的磁滞回线( a) ,矫顽力( b) 随 Ni O 厚度的变化 Fig. 3 Hysteresis loops ( a) and coercivities ( b) of Pt20 nm / Ni O( t_{Ni O}) /[Co ( 0. 3 nm) /Pt ( 2 nm) ]₄/ Pt ( 2 nm ) multilayers with different Ni O layer thicknesses

对样品进行XRD分析,结果如图4( a) 所示, 从图中可以看到所有样品都仅有一个衍射峰,在Pt( 111 ) 39. 8°处附近,这说明多层膜中Pt / Co ( 111) 为一致生长^[20,21]。而在37. 3°和43. 3°处没有观察到反铁磁γ-Ni O相常见的( 111) 和( 200) 衍射峰,这说明样品中的Ni O晶化程度很差。弱晶化的Ni O不利于上面( Pt/Co) 多层膜( 111) 织构的形成,所以Pt/Co( 111) 衍射峰强度随Ni O厚度的增加单调下降,如图4( b) 所示。而( Pt/Co) 多层膜的 ( 111) 织构对应大的垂直磁各向异性和矫顽力^[22], 因此可以说从晶体学上讲底层Ni O的加入导致上面( Pt/Co) 多层膜的垂直磁各向异性变差,矫顽力减小,且Ni O层越厚,这种作用越明显,直至后来垂直方向变为难轴。

图 4 Pt( 20 nm) /Ni O( t_{Ni O}) /[Co( 0. 3 nm) /Pt( 2 nm) ]₄/ Pt( 2 nm) 系列样品的XRD衍射图谱( a) 以及衍射峰强度( b) 随Ni O厚度的变化Fig. 4XRD patterns ( a ) and peak intensities ( b ) of Pt20nm / Ni O( t_{Ni O}) /[Co ( 0. 3 nm) /Pt ( 2 nm) ]₄/ Pt ( 2 nm) multilayers with different Ni O layer thicknesses

由于不连续成膜和界面扩散,室温下厚度小于1 nm的Ni O几乎没有反铁磁性^[23],所以此时Ni O和( Pt / Co) 多层膜之间的交换耦合作用对矫顽力的影响很小。从图3可以看到在Ni O厚度小于1 nm时随Ni O厚度增加( Pt / Co) 多层膜的矫顽力剧烈下降,这一方面与( Pt/Co) 多层膜的( 111) 织构变差有关,另一方面还与( Pt/Co) 多层膜和Ni O之间可能存在的邻近效应有关。Kuch等报道超薄Fe Mn层受铁磁层Co邻近效应的影响产生净磁矩从而可导致铁磁层Co矫顽力下降^[24,25,26],本研究的( Pt/Co) 多层膜和Ni O体系中也可能存在类似的现象。当Ni O厚度超过1 nm时,Ni O作为反铁磁开始和( Pt/Co) 多层膜产生交换耦合相互作用,虽然没有交换偏置的出现,但耦合作用仍可导致矫顽力增大^[14],这就使得Ni O厚度在1 ~ 3 nm之间时,( Pt/Co) 多层膜的矫顽力又有所上升。但是随反铁磁层厚度的增加,交换耦合对矫顽力的提高作用逐渐 变缓,而同时Ni O对 ( Pt/Co) 多层膜 ( 111) 织构的影响依然存在,变差的织构使矫顽力逐渐降低,两个因素综合在一起使得矫顽力出现一个极大值,之后又随Ni O厚度增加单调减小。

3 结 论

室温下,反铁磁材料Ni O和( Pt/Co) 多层膜相互作用过程中,当Ni O在( Pt/Co) 多层膜上面时可产生交换偏置,但是偏置场很小,对应Ni O厚度120 nm其偏置场不到4000 A·m^{- 1}; 当Ni O在( Pt/ Co) 多层膜下面时,其弱晶化结构破坏( Pt / Co) 多层膜( 111) 织构,导致多层膜垂直磁各向异性变差,矫顽力减小,但同时Ni O与( Pt/Co) 多层膜的交换耦合作用以及可能存在的邻近效应也可对矫顽力进行调制; 3种作用共同导致( Pt/Co) 多层膜的矫顽力随Ni O厚度的不同而出现非单调变化, 这为调控 ( Pt/Co) 多层膜的 矫顽力提 供了新的 思路。