柔性衬底上Ni81Fe19/Ni50Mn50双层膜交换偏置效应研究

焦志伟,王映棋,吴磊磊,姜伟棣,丁志谦,周 云,张冬芹,杜建华

(中国计量大学 理学院，浙江 杭州 310018)

随着科技和自旋电子学的发展，人们开始重视电子的自旋特性并将其应用到信息技术产业领域当中，这使得半导体工业得到了迅猛的发展，从而广泛的应用到企业的生产和人们的生活中。半导体工业的发展促成了印制电路板的出现，作为一种拥有着较高生产效率的电子部件，印制电路板很快被应用到各种领域，而作为一种不能够卷曲和拉伸的刚性电子部件，它受到了很多的制约。于是，人们开始注重柔性电子的研究。由于柔性电子能够利用刚性电子器件中的规律和结论并加以创新，因此有着较快的发展速度和广阔的发展空间。研究人员对于柔性电子学的研究也开始渗透到多个领域，并已经得到了许多成果[1-5]。

磁性材料作为信息技术产业领域的重要部分，已经被广泛应用到诸如扬声器、制动机、磁盘和自动机等设备当中[6-11]。柔性电子器件研究中的一个重要部分便是对于柔性衬底上制备的磁性薄膜与器件的研究，将薄膜与器件制备在柔性衬底上可以利用其可卷曲拉伸的特点，将平面研究延伸到曲面研究上。这种柔性磁电子器件还具备低成本的特点，因此在诸多领域都可以得到广泛的应用。

近年来，人们借助柔性衬底上磁性薄膜与器件的发展，开始对沉积在柔性衬底上的薄膜的磁各向异性进行研究。例如，Dai等人在研究聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上沉积的Fe81Ga19时发现，PET被施加应变后会有残余的应力，会进一步导致薄膜出现单轴磁各向异性[12]。Zhang等人在研究PET上沉积的Fe81Ga19/IrMn时发现，交换偏置场会受到应力对薄膜的作用而发生变化[13]。Zuo等人在研究铁电衬底聚偏氟乙烯(PVDF)上沉积的FeGa时发现，薄膜在被施加了电场以后出现了面内单轴磁各向异性[14]。

交换偏置场是Meiklejohn和Bean发现的，他们在对Co/CoO双层膜核壳结构进行研究时，发现磁滞回线沿着磁场轴的负方向发生了平移[15-16]。这种现象被称为交换偏置效应，磁滞回线的偏移量被称为交换偏置场(Heb)[17-18]。Heb与矫顽力HC的计算公式为

(1)

式(1)中：HC1表示磁滞回线的前支矫顽力，HC2表示磁滞回线的后支矫顽力。

到目前为止，研究人员对于铁镍/镍锰和铁镍/镍锰/铁镍两种系统的研究都是在以刚性衬底作为基底的前提下进行的，这其中包括我们课题组所做的相关有意义的工作：铁磁层居里温度低于反铁磁层奈耳温度所构成的磁性薄膜的交换偏置效应；铁镍/镍锰/铁镍三层膜中的每一层以及测量温度和冷却场对交换偏置场的影响[19-25]。

在本文中，我们分别在硅片刚性衬底和聚酰亚胺(PI)柔性衬底上制备了Ni81Fe19/Ni50Mn50双层膜，并研究了铁磁层厚度、反铁磁层厚度和测量温度对交换偏置场和矫顽力的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料和使用仪器

本文中用到的材料有：Ta靶材(厚度3 mm，直径60 mm，纯度99.99%)、Ni81Fe19靶材(厚度2 mm，直径60 mm，纯度99.99%)和Ni50Mn50靶材(厚度2 mm，直径60 mm，纯度99.99%)均购自合肥科晶材料技术有限公司；晶相为(100)的单晶硅片购自中诺新材(北京)科技有限公司；聚酰亚胺胶带购自深圳市昌达祥电子有限公司；钕铁硼永磁体购自深圳市云辉乐古电子有限公司。

薄膜样品的制备采用的是购自沈阳科仪公司设计的JGP560C19多功能超高真空磁控溅射仪；薄膜样品的测试采用的是购自Quantum Design公司设计的多功能振动样品磁强计(Versalab)。

1.2 实验方法

在室温条件下分别在硅衬底和PI衬底上直流溅射沉积了Ta(15 nm)/NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)/Ta(8 nm)、Ta(15 nm)/NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)/Ta(8 nm)样品。溅射使用的靶材有Ni81Fe19、Ni50Mn50和Ta，三个靶材的纯度均高于99.99%。溅射的过程中氩气压强始终保持在0.4 Pa，背景真空度优于7×10-4Pa，NiFe和NiMn的溅射功率为35 W、Ta的溅射功率为30 W，NiFe的沉积速率为0.16 nm/s，NiMn的沉积速率为0.15 nm/s，Ta的沉积速率为0.13 nm/s。每一个样品在制备前都要先沉积15 nm的Ta作为缓冲层，制备结束后都要先沉积8 nm的Ta作为保护层防止样品氧化。由于PI的耐高温性不强，选择230 ℃作为所有样品的退火温度，退火时间为1 h，且退火过程中不施加磁场。

测量样品磁滞回线的具体过程为：将样品加热至390 K，施加3 000 Oe平行于薄膜表面的冷却场，降温至待测温度，测量薄膜磁滞回线的磁场范围为-2 500～+2 500 Oe，以10 Oe为一个步长。为了减少误差，每个样品都测量3次。

2 结果与分析

2.1 铁磁层厚度的影响

为了探究硅片和柔性衬底上铁镍/镍锰薄膜中的铁磁层厚度对交换偏置场的影响，制备了一系列NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)薄膜，并分别测量了薄膜的磁滞回线。图1给出了铁磁层厚度为12 nm和15 nm时两种衬底上薄膜的磁滞回线，其中图1(a)和(c)中的插图是磁滞回线中央部分的放大曲线，可以发现，当铁磁层厚度为12 nm时，磁滞回线的偏移程度要大于厚度为15 nm时的；铁磁层厚度为12 nm时矫顽力的数值也要大于厚度为15 nm时的。

图1 Si和PI衬底上不同铁磁层厚度Ni81Fe19/Ni50Mn50薄膜的M-H曲线Figure 1 M-H curves of Ni81Fe19/Ni50Mn50 films with different ferromagnetic layer thicknesses on Si and Pi substrates

图2分别表示了两种衬底上薄膜的交换偏置场和矫顽力对铁磁层厚度的依赖性，图2(a)中可以看出，交换偏置场在两种衬底上的数值相差甚小，且随着铁磁层厚度的增大而不断减小，直至减小为0；图2(b)中可以看出，衬底为PI时的矫顽力始终大于衬底为硅片时的。铁磁层厚度不超过27 nm时，PI上薄膜的HC约为硅片上薄膜HC的1.6倍。随着铁磁层厚度的增大，矫顽力不断减小。

图2 两种衬底上NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)薄膜的交换偏置场和矫顽力随铁磁层厚度的变化曲线Figure 2 Exchange bias field and coercivity of NiFe (tNiFe)/NiMn (15 nm) films on twokinds of substrates as a function of the thickness of antiferromagnetic layer

实验结果表明，铁镍/镍锰薄膜的Heb不会随衬底的变化而变化，而由于金属薄膜和柔性衬底之间的热扩散系数不匹配，会使得它们在溅射的过程中产生内应力，最终导致HC比在刚性衬底上溅射时大[13,26]。实验还证实了Heb和HC的大小和铁磁/反铁磁薄膜的界面耦合有关，而且铁磁层的厚度越大，界面耦合能越小，这个结论在硅片衬底和PI衬底上都适用。

2.2 反铁磁层厚度的影响

为了探究硅片和柔性衬底上铁镍/镍锰薄膜中的反铁磁层厚度对交换偏置场的影响，制备了一系列NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)薄膜，并分别测量了薄膜的磁滞回线。图3给出了反铁磁层厚度为10 nm和20 nm时两种衬底上薄膜的磁滞回线，其中图3(a)和(c)中的插图是磁滞回线中央部分的放大曲线，可以发现，当反铁磁层厚度为10 nm时，磁滞回线的偏移程度要大于厚度为20 nm时的；反铁磁层厚度为10 nm时矫顽力的数值也要大于厚度为20 nm时的。

图3 Si和PI衬底上不同反铁磁层厚度薄膜的M-H曲线Figure 3 M-H curves of films with different antiferromagnetic layer thicknesses on Si and Pi substrates

图4分别表示了两种衬底上薄膜的交换偏置场和矫顽力对反铁磁层厚度的依赖性，图4(a)中可以看出，交换偏置场在两种衬底上的数值相差甚小，且随着反铁磁层厚度的增大，Heb先增大后减小最后不变；图4(b)中可以看出，衬底为PI时的矫顽力始终大于衬底为硅片时的，且随着反铁磁层厚度的增大，HC先增大后减小最后不变。

图4 两种衬底上NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)薄膜的交换偏置场和矫顽力随反铁磁层厚度的变化曲线Figure 4 Exchange bias field and coercivity of NiFe (15 nm)/NiMn (tNiMn) films on two kinds of substrates as a function of the thickness of antiferromagnetic layer

实验结果表明，铁镍/镍锰薄膜的Heb和HC对反铁磁层厚度的依赖关系不再是单调的，这是由于系统中反铁磁层厚度有一临界值，该临界值介于10 nm到15 nm之间，当反铁磁层厚度小于该值时，反铁磁层的各向异性能很小，不足以控制铁磁层中较多磁矩的翻转；当反铁磁层厚度大于该值时，反铁磁层中开始有较多能够控制铁磁层中自旋的未补偿自旋，Heb和HC随着反铁磁层厚度的增加而增加；而反铁磁层厚度过大时，铁磁层中没有多余的自旋翻转，这会导致Heb和HC的减小[24,27]。

2.3 测量温度对交换偏置效应的影响

为了探究PI上铁磁/反铁磁双层膜中的测量温度对Heb和HC的影响，制备了NiFe(15 nm)/NiMn(15 nm)、NiFe(15 nm)/NiMn(20 nm)薄膜，并分别测量了薄膜的磁滞回线。图5给出了Heb和HC对测量温度的依赖曲线，图5(a)中可以看出，随着测量温度的升高，Heb不断减小，当测量温度高于截止温度(160 K)时，由于AFM的各向异性不大，磁矩会随着外场翻转，因此不会再产生交换偏置现象；图5(b)中可以看出，随着测量温度的升高，HC不断减小，测量温度高于160 K时，两种厚度薄膜的矫顽力大小基本相同。

图5 PI衬底上NiFe(15 nm)/NiMn(15，20 nm)薄膜样品的交换偏置场和矫顽力随测量温度的变化曲线Figure 5 Change curves of the film exchange bias field and coercivity of NiFe (15 nm)/NiMn (15, 20 nm) on PI substrate with measured temperature

3 结 语

过去对于Ni81Fe19/Ni50Mn50双层膜体系的研究都是在如同硅片这样的刚性衬底上进行的，而从来没有在如同PI这样的柔性衬底上尝试过。通过实验可以发现，虽然Ni81Fe19/Ni50Mn50双层膜体系的Heb不会因为衬底发生改变而改变，但这给自旋电子学器件制作成柔性器件提供了可能性；同时，热扩散系数不匹配导致的薄膜与柔性衬底间的内应力造成其HC的增大，也给对高矫顽力有需求的薄膜电子器件的生产提供了可能性。通过本研究还可以发现，Heb和HC的大小都和铁磁/反铁磁薄膜界面耦合有关，铁磁层的厚度越大，界面耦合能越小，Heb和HC就越小；Heb和HC都随着反铁磁层的厚度先增大再减小最后保持不变，这和反铁磁层各向异性能受其自身厚度的影响能力有关，各向异性能越强，Heb和HC越大；Heb和HC都随着测量温度的增大而减小直至消失，这和AFM的各向异性有关，AFM的各向异性越小，Heb和HC越小。本文研究的Ni81Fe19/Ni50Mn50双层膜体系为进一步研究PI衬底上的三层膜和多层膜系统薄膜的磁性提供了可能性，因而促进了柔性磁电子器件领域的发展。