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具有垂直各向异性的copt多层膜中各co层之间铁磁性耦合的研究.pdf

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    • 具有垂直各向异性的 Co/Pt 多层膜中 各Co层之间铁磁性耦合的研究∗韩刚1 ,柳忠元1,于广华11北京科技大学材料物理系, (100083) Email:ghy@ 摘 要 摘 要 使 用 磁 控 溅 射 制 备 了 一 系 列 具 有 不 同 Pt 中 间 层 厚 度 的 glass/NiO(1nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3/Pt(x nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3样品 整体磁 滞回线和局部磁滞回线的测量结果表明,上下两层Co/Pt多层膜之间的铁磁性耦合强度随着 Pt中间层厚度的增加单调减小,当Pt中间层厚度超过 4nm时铁磁性耦合消失除了上下两层 Co/Pt多层膜之间通过Pt中间层产生的铁磁性耦合作用之外,它们之间也存在弱的次耦合作 用,这导致底层出现宽的磁滞 关键词关键词 铁磁性耦合;垂直磁各向异性;矫顽力;磁滞回线 1.引言 1.引言 众所周知, 具有超薄Co层的Co/Pt多层膜存在很强的垂直磁各向异性, 所以人们对Co/Pt 多层膜在高密度数据存储器件开发方面十分关注[1-4] Co/Pt多层膜之所以具有垂直磁各向异性,是因为Co/Pt界面有正的面各向异性常数,其物理机理是由于界面原子失去了对称性[5]。

      除了面各向异性,各Co层之间存在铁磁性耦合作用具有垂直磁各向异性的Co/Pt多层膜的 矫顽力对Pt隔离层厚度有很强的依赖性这种依赖性被认为与各Co层间的铁磁性耦合有关, 同时在Co/Pt界面伴有面各向异性能产生[6]早先的研究使用铁磁共振[6]和Brillouin光散射方法[7],实验结果表明通过Pt隔离层的各Co层之间存在铁磁性耦合当Pt隔离层厚度达到某一特定值时,铁磁性耦合作用消失但是由这两种方法得出的Pt隔离层厚度值相差很大 在这次研究中,我们使用一种特殊的方法来调整Co/Pt多层膜的矫顽力通过这种方法 使被Pt中间层分离的两部分[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3多层膜具有不同的矫顽力 然后改变Pt 中间层厚度,通过测量整体和局部磁滞回线来研究各Co层之间的铁磁性耦合 2.试样制备与测量 2.试样制备与测量 使用直流和射频磁控溅射仪生长薄膜溅射前的本底真空为 4×10-5 Pa,在3×10-1 Pa 工作气压下制备了一系列样品用射频溅射方法在清洗干净的玻璃基片上生长了 1nm厚的超 薄 NiO 底 层 , 然 后 用 直 流 溅 射 方 法 将 [Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3/Pt(x nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3多层膜沉积在NiO底层上。

      NiO、Co、Pt三个靶的沉积速率各为 0.012 nm/s、0.016nm/s和 0.089 nm/s上下Co/Pt多层膜之间的Pt中间层厚度从 1nm变化到 4nm 使用选区梯度磁力显微镜(AGFM)和超导量子界面仪(SQUID)测量整体和局部磁滞回线测量时加垂直于样品表面的磁场 ∗本课题得到教育部博士点基金(批准号:2003008003)和教育部科学技术研究重要项目(批准号 104023)资助 -1- 3.结果与讨论 3.结果与讨论 3.1 实验结果及分析 3.1 实验结果及分析 -30-20-100102030-4-2024M (10-8 Am2)H (A/m)图 1 生长在NiO(虚线)底层和Pt(实线)底层的双层[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]图 1 生长在NiO(虚线)底层和Pt(实线)底层的双层[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3 3多层膜的磁滞回线多层膜的磁滞回线 图 1 给出了生长在 Pt 底层和超薄 NiO 底层上的 Co/Pt 多层膜的磁滞回线两条磁滞回线都是矩形的,表明易轴垂直膜面生长在超薄 NiO 底层上的 Co/Pt 多层膜的矫顽力为0.875A/m,在 Pt 底层上的 Co/Pt 多层膜的矫顽力 5.625A/m。

      在最新的与 NiO 有关的交换偏置和层间耦合的研究中,已经观察到当具有垂直磁各向异性的 Co/Pt 多层膜生长在超薄的NiO 底层上时,它的矫顽力会大大的降低所以,实验结果与文献结果一致 按 照 上 面 的 实 验 结 果 , 对 于 样 品 NiO(1nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3/Pt(x nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3,下层Co/Pt多层膜的矫顽力比上层Co/Pt多层膜的矫顽力小所以可以通过测定整体和局部磁滞回线来研究各Co层之间的铁磁性耦合和Co/Pt多层膜间的铁磁性耦合 -2- -30-20-100102030-10-50510M (10-8 Am2)H (A/m)(a) 1nm-30-20-100102030-8-6-4-202468M (10-8 Am2)H (A/m)(b) 2nm-3- -30-20-100102030-10-50510M (10-8 Am2)H (A/m)(c) 3nm-30-20-100102030-10-50510M (10-8 Am2)H (A/m)(d) 4nm图 2 样品NiO(1nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]图 2 样品NiO(1nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3 3/Pt(x nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]/Pt(x nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.5nm)]3 3 的磁滞回线,其中 x 为 1、2、3、4nm。

      的磁滞回线,其中 x 为 1、2、3、4nm 图 2 为 Pt 中间层不同厚度时的几种典型磁滞回线 如图 2(a)和 2(b)所示, 当 Pt 中间层厚度小于 2nm 时, 矩形磁滞回线表明了上下 Co/Pt 多层膜的磁矩在同一磁场下翻转, 这证明上下 Co/Pt 多层膜通过 Pt 中间层产生很强的铁磁性耦合,已经完全耦合在一起当 Pt中间层厚度超过 2nm 时, 上下层 Co/Pt 多层膜磁矩的翻转分开了 下层 Co/Pt 多层膜先开始翻转,而且翻转过程是逐渐变化的,之后,上层的 Co/Pt 多层膜才翻转,但是翻转过程完成的很快这是由于随着 Pt 中间层厚度的增加,铁磁性耦合减弱了,这样上下 Co/Pt 多层膜就不能完全耦合在一起 -4- 01234502468Coercivity (Oe)tPt (nm)HC1HC2图 3 上层(实心圆圈)和下层(空心圆圈)Co/Pt 多层膜的矫顽力与 Pt 中间层厚度的关系图 3 上层(实心圆圈)和下层(空心圆圈)Co/Pt 多层膜的矫顽力与 Pt 中间层厚度的关系 从磁滞回线的测量结果来看,上下 Co/Pt 多层膜的翻转场随 Pt 中间层厚度变化关系如图 3 所示。

      可以看到,随着 Pt 中间层厚度的增加,上层 Co/Pt 多层膜的翻转场单调的增加当 Pt 中间层厚度超过 4nm 时,上层翻转场达到一个常数上层翻转场的单调增加伴随着上下 Co/Pt 多层膜的铁磁性耦合强度的减弱同时随着 Pt 中间层厚度的增加,铁磁性耦合减弱,导致上层的翻转场变大当 Pt 中间层厚度足够大时,没有耦合存在,上层翻转场成为常数对于下层 Co/Pt 多层膜,如图 3 所示,其矫顽力随 Pt 中间层厚度变化不是单调的在 2nm 以下,下层矫顽力随 Pt 中间层厚度增加而缓慢增大底层矫顽力的不寻常变化是由于底层 Co/Pt 多层膜的磁矩翻转场是不一致的当 Pt 中间层厚度大于 2nm 时,底层矫顽力随 Pt 中间层厚度的增加而迅速减小从图 2 磁滞回线分析来看,下层 Co/Pt 多层膜磁矩是逐渐翻转的,表明它们的翻转基本上是一致转动在这种情况下,增加 Pt 中间层的厚度,铁磁耦合作用变弱,导致下层矫顽力迅速减小当 Pt 中间层厚度超过 4nm 时,铁磁性耦合消失,所以下层矫顽力变成常数,这种变化同顶层 Co/Pt 多层膜翻转场变化一样 -5- -6-4-2024680246810M (10-8 Am2)H (A/m)(a) 3nm-6-4-2024680246810M (10-8 Am2)H (A/m)(b) 3.5nm-6- -6-4-2024680246810M (10-8 Am2)H (A/m)(c) 4nm0.0400.0450.050-60-50-40-30-20-100M (10-8 Am2)H (A/m)(d)图 4 Pt 中间层厚度为 3nm(a) ,3.5 nm(b) ,4nm(c)时下层 Co/Pt 多层膜的小磁滞回线,虚线标明了小磁滞回线的中心, (d)显示了小磁滞回线的变化场同 Pt 中间层厚度的关系。

      图 4 Pt 中间层厚度为 3nm(a) ,3.5 nm(b) ,4nm(c)时下层 Co/Pt 多层膜的小磁滞回线,虚线标明了小磁滞回线的中心, (d)显示了小磁滞回线的变化场同 Pt 中间层厚度的关系 当Pt层厚度超过 2nm时,上下Co/Pt多层膜的磁矩翻转发生在不同一磁场下,所以可以测量局部磁滞回线 图4给出了三种不同Pt中间层厚度 (Pt中间层厚度大于2nm) 的底层Co/Pt多层膜的局部磁滞回线局部磁滞回线中心偏向负场方向,表明上下Co/Pt多层膜通过Pt中间层产生了铁磁性耦合随着Pt中间层厚度的增加,小线圈的变化场HMLS迅速减小直到Pt中间层厚度为 4nm时HMLS变为 0这清楚的表明随着Pt中间层厚度的增加,各Co层之间的铁磁性耦合作用减弱,直到Pt中间层厚度为 4nm时,耦合作用消失局部磁滞线圈中心的位置HMLS随-7- Pt中间层厚度的变化关系与上下层Co/Pt多层膜的矫顽力随Pt中间层厚度变化关系是一样的在Co/Pt多层膜中,各Co层之间的铁磁性耦合被认为是Pt中间层内的空洞造成的,铁磁性耦合就是通过Co在Pt层间的空洞形成的上下Co层的直接连接而产生的。

      但是, 除了由空洞形成的直接铁磁性耦合外,通过Pt层的间接铁磁性耦合也存在随着Pt层厚度的增加,Pt层内的空洞数量在减少, 但是通过Pt层的间接铁磁性耦合一直存在, 即使Pt层很厚也同样存在,这与我们在实验中观察到的现象一致 3.2 理论计算磁滞回线 3.2 理论计算磁滞回线 -20-1001020-1.0-0.50.00.51.0cal.MajorNormalized MH (A/m)J2=0.0000064 J/m2-20-1001020-15-10-5051015cal.MajorNormalized MH (A/m)J2=0.0000022 J/m2图 5 Pt 中间层厚度为 3.5 nm、4nm 时,实验结果与计算结果图 5 Pt 中间层厚度为 3.5 nm、4nm 时,实验结果与计算结果 -8- Pt 层厚度超过 2nm 时,上下 Co/Pt 多层膜的铁磁性耦合强度变弱,所以它们的磁矩翻 转不是同时发生的如图 3 中所示,上层 Co/Pt 多层膜的转变非常快,但是下层 Co/Pt 多层 膜的转变却很缓慢,而且磁滞很宽甚至当 Pt 中间层厚度为 4nm 时磁滞回线没有明显的台 阶出现,在这时从局部磁滞回线的测量来看,铁磁性耦合强度为零。

      为了搞清楚这一不寻常的现象,我们计算了磁滞回线,其原理是找出使自由能E为最小值的BTθθ,值自由能表达式如下: )(cos)cos(sinsin2 2122 BTBT。

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