Ni／NiO交换偏置系统的制备与测试

丁斌峰，法 涛

（1.廊坊师范学院 物理与电子信息学院，河北 廊坊 065000；

2.北京大学 核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871）

Ni／NiO交换偏置系统的制备与测试

丁斌峰1，2，法 涛2

（1.廊坊师范学院 物理与电子信息学院，河北 廊坊 065000；

2.北京大学 核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871）

将具有60keV能量的O离子注入通过分子外延束方法生长的Ni铁磁性薄膜，再将注入离子与基质原子发生化学反应所生成的反铁磁性NiO颗粒镶嵌于铁磁性薄膜中，在Ni／NiO界面处通过交换相互作用构建起交换偏置系统，在对系统进行场冷后，成功测量到磁滞回线的平移，在此基础上研究了系统的微观结构和磁特性，并对其中交换偏置的来源做出初步解释.通过调制注入离子的剂量，系统研究了不同因素对交换偏置的影响，优化了交换偏置系统的制备方法.

交换偏置；离子束技术；界面相互作用

交换偏置是现代磁学中一种重要的磁学现象，它首次把2种不同材料界面处的磁相互作用联系起来.通过铁磁／反铁磁材料界面处的交换相互作用，经过场冷过程，交换偏置系统的磁滞回线沿一特定方向发生偏移，使系统具有明显的单轴磁各向异性，区别于常见的铁磁材料［1－2］.交换偏置效应在传统的磁信息存储领域已经得到广泛应用，在突破磁性颗粒超顺磁极限、提高磁性材料存储密度方面发挥了非常重要的作用［3］.在新兴的自旋电子学领域，交换偏置效应被用来制造自旋阀和磁隧道结等自旋电子学器件，具有巨大的应用前景.为了制造出性能更优异、性质更可靠的新型器件，研究人员对交换偏置效应进行了大量的理论和实验工作，以探究这一现象的物理机制.但到目前为止，尽管交换偏置效应已经广泛应用于不同领域，但关于它的物理机制尚不清楚［4－6］.

本研究在深入调研交换偏置效应相关研究背景和前人研究成果的基础上［7－10］，结合离子束技术在材料分析和改性中的应用，提出了一种新的使用离子注入技术直接在铁磁性薄膜中引入反铁磁性颗粒镶嵌结构［11］形成交换偏置系统的方法.将具有60keV能量的O离子注入通过分子外延方法生长的Ni铁磁性薄膜，再将注入离子与基质原子发生化学反应所生成的具有反铁磁性的NiO颗粒镶嵌于铁磁性薄膜中，在Ni／NiO界面处通过交换相互作用构建起交换偏置系统.对于制备所得的Ni／NiO交换偏置系统，本研究利用卢瑟福背散射光谱（Rutherford Backscattering Spectroscopy，RBS）对该系统的微观结构进行分析，结合磁性测试的结果，对其中交换偏置的来源作出初步解释.通过调制注入剂量等实验参数，系统研究了不同因素对交换偏置的影响，优化了交换偏置系统的制备方法.

1 实验方法

1.1 样品的制备

该系列样品使用分子束外延方法，以单晶MgO（100）为衬底，生长一层厚度约为100nm的Ni单质薄膜，再在Ni单质薄膜上生长一层厚度为5nm的Au膜作为保护层防止其氧化.然后，向薄膜注入能量为60keV的O离子，使其与Ni原子发生反应，在Ni薄膜中生成NiO颗粒，用以构建Ni／NiO交换偏置系统.实验的具体步骤如下：1）衬底清洗［12－13］，使用加热辅助的离子轰击法进行清洗；2）分子束外延Ni单质薄膜生长，使用分子束外延设备［14－17］进行薄膜生长，生长温度为室温，真空度为10－10Pa，Ni膜生长速率为0.02nm／s，Ni膜厚度为100nm；3）分子束外延生长Au保护层，使用分子束外延设备原位生长一层厚度约为4.5nm的Au保护层，以防止Ni膜与空气中的氧气接触发生氧化；4）离子注入，使用能量为60keV的O离子进行注入，剂量分别为5.0×1016cm－2、1.0×1017cm－2和1.5×1017cm－2；5）退火处理，退火处理在MBE高真空系统的退火室中进行，退火温度为570K，退火时间为2h.制备Ni／NiO交换偏置系统样品的具体参数如表1所示，样品在离子注入前后的结构示意图如图1所示.

表1 分子束外延Ni／NiO交换偏置系统样品参数列表Tab.1 Sample imformation of Ni／NiO exchange－biased system by MOCVD

图1 离子注入前后的结构示意图Fig.1 Figure of O ion－implanted

1.2 结构和磁性测试

为了分析交换偏执的机理，本研究分别利用RBS和量子扰动超导探测器（Superconductvity Quantum Interference Device，SQUID）对样品进行测试.RBS测试在比利时鲁汶大学核与辐射物理研究所的串列加速器（5SHD－2，NEC）上进行，入射粒子为He＋，能量为1.57MeV，入射角为169.9°，采用金硅面垒探测器探测背散射离子，探测角为10.1°.SQUID实验在北京大学物理学院超导量子干涉仪［18－20］实验室进行，实验中，首先在室温下（300K）测量样品的磁滞回线，然后对体系施加一个大小和方向恒定的饱和磁场，并在此外加磁场下使体系温度冷却至10K（场冷过程），然后再次测量样品的磁滞回线.

2 结果与讨论

2.1 样品结构

2.1.1 预期样品结构

图2为利用SRIM程序［7，16］模拟出的注入样品中O离子的深度分布示意图.通过选择合适的O离子能量（60keV），可以使O离子在样品中的平均注入深度达到需要的57nm，射程距离达到27.3nm.

图2 SRIM模拟O离子深度分布Fig.2 O ion depth profile simulated by SRIM

2.1.2 RBS测试结果

图3为离子注入前后RBS随机谱结果.从图3a中可以看到，离子注入前的样品具有清晰的三层结构，从高道址到低道址分别对应样品表面的Au保护层、Ni单质薄膜和MgO衬底.图3b到图3d分别为注入剂量为5×1016cm－2，1.0×1017cm－2和1.5×1017cm－2样品的RBS随机谱.随着注入剂量的增大，表面Au保护层的背散射产额逐渐减小，这说明在O离子注入的过程中Au原子不断被溅射掉，但即便如此，对于最高注入剂量的样品，仍可以得到清晰的Au峰，且该峰并未明显变宽，这表明注入过程中Au原子主要被O原子溅射掉，并未向样品内部扩散.考虑到该系列样品表面Au保护层的厚度仅为4.5nm，而最高注入剂量样品的Au峰仍然存在，这表明Au层对防止样品氧化的保护作用达到了样品设计的要求.对于第二层Ni单质层，随着注入剂量的增大，背散射产额并未发生明显变化，这说明受表层Au层的阻挡，Ni原子并未发生明显溅射，其含量保持稳定.受注入离子能量的限制，仅有少部分O离子可以到达衬底层，并且从图2中可以看出，注入过程中衬底层元素的含量并未发生明显变化.

图3 不同注入剂量样品的RBS随机谱Fig.3 RBS random spectra of the sample at different O ion－irradiated fluences

2.2 样品的磁性

由于衬底MgO含有O原子，所以在进行离子注入前，必须了解衬底中O原子对注入O原子的影响.文献［21］曾报道在进行退火的情况下，MgO与Ni界面处会形成一层很薄的NiO薄膜，在其中也测到了交换偏置.

为了进一步检验衬底中所含O原子对注入O原子的影响，本研究首先对未进行离子注入的样品进行退火，退火温度为570K，退火2h，场冷后分别在290K和10K温度下测量了样品的磁滞回线，结果如图4所示.

图4 未注入样品退火后的磁滞回线Fig.4 Hysteresis loops of unimplanted sample after annealing

由图4可以看出，交换场大小为0.45mT（即4.5Oe），通过与离子注入后所得样品的交换场大小进行比较，即可以确定注入离子对最终测得交换场大小的影响.

2.2.1 不同注入剂量对交换偏置的影响

图5为不同注入剂量样品在290K和10K温度下的磁滞回线图谱.

图5 不同注入剂量样品的磁滞回线Fig.5 Hysteresis loops of samples with different irradiated fluence

由图5可以得到不同注入剂量样品的交换场，可以发现随着注入剂量的增加，交换场也逐渐增大，从1.55mT增加至8.34mT，再到18.25mT，交换场的变化趋势如图6所示.

图6 样品交换场随注入剂量的变化趋势Fig.6 Trend of exchange field at different irradiated fluences

交换场随注入剂量的增大而增大是因为未注入或注入剂量较小时，偏置系统中NiO颗粒的数量较少，尺寸较小，且O离子的注入导致系统中存在缺陷（包括空位与新Ni＋形成），而Ni的分布相对分散，所以交换场较小.随着O离子注入剂量的增加，系统中形成数量较多、尺寸较大的NiO，且Ni的分布相对集中，交换场随之变大.

2.2.2 退火处理对交换偏置的影响

图7为不同注入剂量样品的磁滞回线.

图7 退火处理后不同注入剂量样品的磁滞回线Fig.7 Hysteresis loops of samples with different irradiated fluences after annealing

图7a是注入剂量为1.5×1017cm－2的样品退火后在290K和10K温度下磁性测试的结果，与退火前的结果相比，退火后交换场从18.25mT减小到13.19mT.图7b是注入剂量为1.0×1017cm－2的样品退火后磁性测试的结果，与退火前的结果相比，退火后交换场从8.34mT减小到5.76mT.

退火后交换场减小的原因是样品中的NiO小颗粒通过扩散等机制融合形成较大的颗粒，整个样品中NiO颗粒的平均尺寸变大.而由于场冷温度只能激活较小的NiO颗粒，所以，当退火过程中小尺寸的NiO颗粒变少、NiO颗粒的平均尺寸变大时，样品中参与交换偏置的NiO颗粒反而会变少，进而交换场变小.

3 结论

为了进一步优化制备过程，本研究系统分析了离子注入剂量和退火处理对样品结构与磁性的影响，并对Ni／NiO系统交换偏置的来源做出初步解释，得到以下主要结论：

（1）离子注入是一种新型的制备交换偏置系统的方法.通过调制注入剂量，可以制备反铁磁颗粒镶嵌于铁磁性薄膜中的交换偏置系统.

（2）当增大Ni／NiO交换偏置系统中O离子的注入剂量时，样品交换场增大.

（3）由于尺寸效应的影响，当退火过程中小尺寸的NiO颗粒变少，NiO颗粒的平均尺寸变大时，样品中参与交换偏置的NiO颗粒会减少，从而导致交换场变小.

［1］ PRADOS C，PINA E，HERNANDO A，et al.Reversal of exchange bias in nanocrystalline antiferromagnetic－ferromagnetic bilayers［J］.Journal Physics Condens Matter，2002，14：10063－10074.

［2］ GREDIG T，KRIVOROTOV I N，EAMES P，et al.Unidirectional coercivity enhancement in exchange－biased Co／CoO［J］.Applicationm Physics Letter，2002，81：1270－1272.

［3］ ALI M，ADIE P，MARROWS C H，et al.Exchange bias using a spin glass［J］.Nature Materials，2007，6：70－75.

［4］ HONG T M.Simple mechanism for a positive exchange bias［J］.Physics Review B，1998，58：97－100.

［5］ KAGERER B，BINEK C，KLEEMANN W.Freezing field dependence of the exchange bias in uniaxial FeF2－CoPt heterosystems with perpendicular anisotropy［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2000，217：139－146.

［6］ RAASCH D.Recording characteristics of Dy－Feco－based magnetooptical disks in comparison to other Mo materials［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1993，29：34－40.

［7］ ZHU X C，ZHU J G.A vertical MRAM free of write disturbance［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2003，39：2854－2856.

［8］ LI S X，PLASKETT T S，FREITAS P P，et al.The effect of substrate bias on the properties of NiO／NiFe and NiO／CoFe exchange biased spin－valve sensors［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1998，34：3772－3777.

［9］ VOGES F，GRONCKEL H，OSTHOVER C，et al.Spill valves with CoO as an exchange bias layer［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1998，190：183－186.

［10］ MARROWS C H，STANLEY F E，HICKEY B.Canted exchange bias in antiparallel biased spin valves［J］.Journal of Applied Physics，2000，87：5058－5060.

［11］ SHIN I J，MIN B C，HONG J P，et al.Effects of Ru diffusion in exchange－biased MgO magnetic tunnel junctions prepared by in situ annealing［J］.Application Physics Letter，2009，95：222501－222504.

［12］ MOREL R，BRENAC A，PORTEMONT C.Exchange bias and coercivity in oxygen－exposed cobalt clusters［J］.Journal of Applied Physics，2004，95：3757－3760.

［13］ DOMINGO N，TESTA A M，FIORANI D，et al.Exchange bias in Co nanoparticles embedded in an Mn matrix［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，316：155－158.

［14］ SKUMRYEV V，STOYANOV S，ZHANG Y，et al.Beating the superparamagnetic limit with exchange bias［J］.Nature，2003，423：850－853.

［15］ JIANG J S，FELCHER G P，Inomata A，et al.Exchange－bias effect in Fe／Cr（211）double superlattice structures［J］.Physics Review B，2009，61：9653－9656.

［16］ KIWI M，MEJIA－LOPEZ J，PORTUGAL R D，et al.Positive exchange bias model：Fe／FeF2and Fe／MnF2bilayers［J］.Solid State Communication，2003，116：315－319.

［17］ 徐万劲.磁控溅射技术的进展与应用［J］.现代仪器，2005，6：31－34.

［18］ CLARKE J.Superconducting quantum interference devices［J］.Journal of the Electrochemical Society，1978，125：125.

［19］ Clarke J.Principles and limitations of superconducting quantum interference devices［J］.Journals of the American Physical Society，1977，22：86－86.

［20］ RICHTER W，ALBRECHT G.Investigations of superconducting quantum interference devices［J］.Physical Status Solidi A：Applied Research，1973，17：531－540.

［21］ LUKASZEW R A，MITRA M，ZHANG Z，et al.Exchange bias on epitaxial Ni films due to ultrathin NiO layer［J］.The European Physical Journal B，2005，45：181－184.

Manufacture and testing of Ni／NiO exchange bias system

DINGBin－feng1，2，FATao2
（1.Department of Physics and Electronic Information，Langfang Teachers College，Langfang 065000，Hebei Province，China；
2.State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology，Peking University，Beijing 100871，China）

Oxygen ions with 60keV in energy are implanted into ferromagnetic Ni films used MBE（molecular－beam epitaxy），and the anti－ferromagnetic NiO particles formed by the reaction of the implanted ions with matrix atoms are embedded in home matrix.According to exchange interaction between interlayer of AFM particles and FM matrix，the exchange bias structure is built.The hysteresis loops are measured after field cooling，and the structure and magnetic property of the Ni／NiO exchange bias system are investigated based on it.Based on the investigation，the preliminary explanation of the origin of the exchange bias effect in them is given.The effects of different conditions on the system are investigated by modulating the dose of the implanted ions，and the manufacture is optimized.

exchange bias；technology of ion beam；interaction between interlayer

O448

A

1671－1114（2012）01－0026－05

2011－06－09

国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2010CB832904）；国家自然科学基金资助项目（10875007，11005005）；廊坊师范学院重点资助项目（LSZZ201101）

丁斌峰（1965—），男，副教授，主要从事核技术与核物理方面的研究.

（责任编校 纪翠荣）