基本介紹
- 中文名：合成反鐵磁結構
- 外文名：Synthetic antiferromagnetic structure
- 類別：物理學
合成反鐵磁結構對自旋閥巨磁電阻效應的影響,室溫下測得的磁滯回線,合成反鐵磁結構的穩定性及效應,合成反鐵磁結構的基垂直交換耦合複合薄膜,
合成反鐵磁結構對自旋閥巨磁電阻效應的影響
用直流磁控濺射方法製備了雙合成反鐵磁結構Co90Fe10(5 nm)/Ru(xnm)/Co90Fe10(3 nm)/Ru(ynm)/Co90Fe10(5nm)(x=0·45，0·45，1·00；y=0·45，1·00，1·00)的系列樣品，並對樣品的性能及其作為釘扎層對自旋閥巨磁電阻(GMR)效應的影響進行了研究。結果表明，雙合成反鐵磁結構比普通合成反鐵磁結構Co90Fe10(5 nm)/Ru(0·5 nm)/Co90Fe10(3 nm)具有更優越的性能，並且雙合成反鐵磁結構作為釘扎層對自旋閥的GMR有很大提高。
室溫下測得的磁滯回線
在室溫下測得的磁滯回線。指出當Ru層厚度為0·5 nm時，合成反鐵磁結構的樣品A的飽和場Hs約為168 A/m，矯頑力Hc為0·89 A/m，飽和磁化強度Ms為15·4 A/m，其中兩鐵磁層的反鐵磁耦合作用最強。
在室溫下測量得到的磁滯回線。可以看出，三個雙合成反鐵磁結構的飽和磁場強度很接近，約為196 A/m，但是飽和磁化強度最低，約為9·6 A/m。這是因為當Ru層厚度為0·45 nm時，Ru兩側的相鄰鐵磁層之間的反鐵磁耦合作用最強，強烈的反鐵磁耦合作用使得Co/Ru界面的磁矩傾斜，從而降低了飽和磁化強度。而當Ru層厚度為1 nm時，Ru兩側的相鄰鐵磁層之間的反鐵磁耦合作用很弱，對飽和磁化強度的影響很小。因為雙合成反鐵磁結構增加了兩個Co90Fe10/Ru界面，Co90Fe10/Ru界面的自旋傾斜，並且在界面處會形成CoRu合金，使鐵磁層的有效厚度減小，形成磁死層，從而降低了飽和磁化強度更適合作為合成反鐵磁結構。
合成反鐵磁結構的穩定性及效應
1991年Dieny等利用反鐵磁層的交換耦合作用成功設計出鐵磁層/隔離層/鐵磁層/反鐵磁層的自旋閥結構。這種結構的材料被套用於高靈敏度感測器件和高密度存儲技術中。由於反鐵磁材料存在熱穩定性問題，在實際套用中受到一定限制。合成反鐵磁結構具有很好的熱穩定性，並要求其中的鐵磁層具有較高的飽和場、低矯頑力、低飽和磁化強度。常用的合成反鐵磁結構是Co90Fe10(3 nm)/Ru(0·5 nm)/Co90Fe10(5 nm)。
採用雙合成反鐵磁結構有效地提高了飽和場，降低了飽和磁化強度，並通過在不同溫度下對其進行真空退火，發現雙合成反鐵磁結構具有很好的熱穩定性，並且雙合成反鐵磁結構作為釘扎層對自旋閥的巨磁電阻(GMR)效應有明顯提高。
合成反鐵磁結構的基垂直交換耦合複合薄膜
隨著信息量的急劇膨脹，迫切要求信息存儲系統的容量急劇增加。在眾多的信息存儲技術中，磁記錄技術仍是最主要的大容量存儲技術。由於超順磁效應的限制，ITb/in2的存儲密度是普通記錄介質的極限。LI0-FePt有序合金作為新一代磁記錄介質材料，具有極高的磁晶各向異性（107erg/cc），在超細晶粒尺寸（3～5nm）情況下仍具有很高的熱穩定性，可以實現10Tb/in2的超高面記錄密度。為了解決FePt熱穩定性和可寫性的矛盾，交換藕合介質（Exchange coupled composite，ECC）被提出並受到廣泛研究。在ECC介質的研究中，不同的軟磁材料作為軟磁層與硬磁層FePt藕合，如Fe、[Co/X]（X=Ni、Pt）多層膜等，且在一定程度上降低了矯頑力保持了熱穩定性。然而為了使ECC介質的矯頑力足夠小，必須要增加軟磁層的厚度，這必將帶來熱穩定性的下降以及開關場分布（SFD）變寬。為了解決這些問題，一種改進的反鐵磁交換藕合的結構被提出（AFC－ECC），即將ECC單元與軟磁材料反鐵磁藕合在一起。通過在FePt上生長合成反鐵磁結構實現了這種結構。圍繞著基於LI0FePt的垂直取向型AFC－ECC介質進行了一系列的研究工作。
當Ru的厚度為0.21nm時，回線的形狀與鐵磁材料的磁滯回線相同，磁性層間的藕合為鐵磁藕合。增加Ru的厚度至0.42nm時，磁滯回線則由三個小回線組成，此時對應的是反鐵磁藕合。兩個磁性層間的反鐵磁藕合作用會產生一個平行於外場的交換偏置場，HEx的定義其大小為第一個小回線中必處的磁場相對於零場的偏離。反鐵磁稱合強度JAf和HEx的關係為：JAF = HEx MstF和tF分別是[Co/Ni]5的飽和磁化強度和厚度。可知Ru厚度為0.42nm時的反鐵磁藕合最強，為1.01lerg/cm2。Ru層厚度增加到0.63nm時，HEx變小，反鐵磁藕合強度開始減弱，回線開始出現階梯。隨著Ru的厚度繼續增大時，鐵磁藕合和反鐵磁藕合將會再次出現。這種磁性層間交換藕合隨非磁性中間層厚度振盪變化的行為可以由RKKY相互作用解釋。Co磁性層與Ru層的傳導電子相互作用在它附近誘導出自旋極化，自旋極化通過Ru層傳播最後與另一端的磁性層Co發生作用，從而在兩個磁性層之間產生了有效的相互作用。然而RKKY理論有其局限性，因為它只考慮了空間層對層間交換藕合的作用而忽略了磁性層的影響，所以不能解釋藕合振盪的幅度和相位問題。Bruno考慮了自由電子波的多重反射效應，認為藕合的強度和相位由中間層和磁性層界面處電子自旋相關反射決定。而電子的反射率反過來又由空間層和磁牲層中的自旋相關干涉確定。所以Co/Ni]5/Ru/[C〇/Ni]10結構中的交換藕合作用不僅有Ru層的貢獻而且還受[Co/Ni]磁性層的影響。
合成反鐵磁結構的滋化方向的翻轉主要是外磁場能和交換藕合能共同作用的結果。當外加磁場由正飽和場向負飽和場掃描時，隨著外加場的減小，反鐵磁藕合能將強於外磁場能。由於[Co/Ni]5的磁矩小於[Co/Ni〕10的磁矩，所叫〔Co/Ni]5的磁化方向最先在5120 Oe處由正轉負，[Co/Ni〕10仍保持原方向。此時兩層鐵磁層的磁化方向相反，而淨磁矩的方向為正。當外加磁場向負場増加到1.91kOe時，在外磁場能作用下和反鐵磁稱合能的共同作用下，[Co/Ni]5和[Co/Ni]10都會發生磁化翻轉，[Co/Ni]5磁化方向與正場方向一致，而[Co/Ni]10變換到負場方向。隨著外加磁場的維續増大，外磁場能將克服反鐵磁稱合能，兩個磁性層都轉向負方向。
