钉扎未补偿磁矩对柔性衬底上铁磁/反铁磁薄膜交换偏置的影响

焦志伟,吴磊磊,姜伟棣,王映棋,丁志谦,周 云,张冬芹

(中国计量大学 理学院,浙江 杭州 310018)

交换偏置(EB)效应是由Meiklejohn和Bean在1956年发现的,其复杂的物理机制和在自旋电子学中的应用引起了人们广泛的兴趣[1]。交换偏置效应产生于FM层和AFM层在其界面上的相互作用,这导致FM层的磁滞回线发生偏移[2]。AFM和FM之间的磁相互作用提供了关于杂化物中磁相互作用的信息,这对自旋电子学很重要,多年来一直受到人们的关注[3-6]。这些效应与基于交换偏置的设备的设计有关,例如硬盘驱动器读取头、自旋阀、磁传感器和自旋电子设备。近年来,由于交换偏置在自旋电子学中的重要性,人们做出了大量的努力来揭示潜在机制的详细性质。一些研究人员已经发现,EB诱导的单向各向异性可能导致矩形各向异性磁电阻(AMR)[7]。尽管在过去的十年里进行了大量的研究,但仍然无法了解交换偏置现象的物理机制[8-11]。交换偏置场Heb与矫顽力HC的计算公式:

(1)

式(1)中,HC1和HC2分别表示磁滞回线中的前支矫顽力和后支矫顽力。

为了产生交换偏置效应,系统的自旋需要在磁场冷却后在一定方向上固定,以确定交换偏置场的方向。最终AFM层的钉扎未补偿磁矩需要耦合到FM层[8]。钉扎时的性质仍然存在争议;大多数模型认为,未补偿的磁矩只在界面附近产生,但界面不完全平整,存在很多缺陷[12]。一些模型认为AFM层处于磁无序状态。其他实验表明,界面总是耦合到AFM层的大部分,这反过来可能改变界面上的磁态,并进一步影响交换偏置场,这表明交换偏置不是纯粹的界面效应[13-15]。事实上,有很多令人信服的证据表明,未补偿的磁矩分布在整个AFM层中,界面上的未补偿磁矩分布可能由AFM层的大部分决定[16-17]。在这种情况下,问题是AFM层磁矩如何通过AFM材料与FM层相互作用。例如,Nam等人[18]报道了在FeMn/CoFe双层中加入CoFe种子层后,顶部和底部CoFe层的交换偏置场表现出明显的增强。然而,Khan等人[19]报告了一个完全相反的结论,在AFM的另一侧沉积FM层后,三层膜的交换偏置场明显低于双层膜。我们研究组[20]也得到了一定成果,在FM的另一侧沉积AFM层后,三层膜的交换偏置场明显高于双层膜。此外Gritsenko等人[21]报道了NiFe/IrMn/NiFe三层膜磁性与镍含量的关系,他们发现高镍合金和低镍合金的FM和AFM界面的形态特征会影响铁磁层磁化反转的顺序。

目前交换偏置研究主要基于刚性衬底上的薄膜体系,存在承受机械应变较小且不能应用在弯曲表面上等问题,但当使用柔性衬底时,施加外力后衬底上的磁性薄膜将随衬底的形变而受到外力的作用,并且由于磁弹性耦合的作用,磁性薄膜的磁各向异性将可以被调控。使用可弯曲的柔性材料为衬底制备而成的柔性磁性薄膜相比于在刚性衬底上制备出的磁性薄膜具有可弯曲、可拉伸等优点,因此需要将传统刚性衬底上进行的研究拓展到柔性衬底上进行,将柔性磁性薄膜的物理性能进行研究以确保其能在实际应用中代替传统刚性薄膜发挥其特有的性能。

本文在聚酰亚胺(PI)柔性衬底上制备Ni81Fe19/Fe50Mn50双层膜和Ni81Fe19/Fe50Mn50/Ni81Fe19三层膜的系列样品,分别研究了交换偏置场与顶层FM厚度,以及AFM层厚度和底层FM层厚度之间的关系,来确定柔性衬底上对交换偏置的主要贡献是铁磁(FM)/反铁磁(AFM)界面效应还是AFM体效应。

1 实验内容

1.1 实验材料与设备

本文使用的靶材有Ta、Ni81Fe19、Fe50Mn50,都产自合肥科晶材料有限公司,其中Ta的厚度为3 mm,Ni81Fe19和Fe50Mn50的厚度都为2 mm,此外靶材的直径均为60 mm,纯度为99.99%;聚酰亚胺PI产自永成胶带有限公司,宽为8 mm。

本文中薄膜样品的制备采用的是沈阳科仪公司设计的JGP560C19型超高真空磁控溅射仪;使用的磁性测量仪器是集合了VSM功能的多功能振动样品磁强计(Versalab),该设备是Quantum Design公司设计的首款小型磁性能测量设备。

1.2 实验方法

利用直流磁控溅射仪制备所需的样品,在相同条件下在经过严格清洗的聚酰亚胺柔性衬底PI上依次沉积各层薄膜,Ni81Fe19(tNiFe)/Fe50Mn50(13 nm),Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn),Ni81Fe19(tNiFe)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(19 nm),Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)/Ni81Fe19(19 nm),Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(tNiFe)。预先在柔性衬底PI上沉积15 nm的Ta作为缓冲层;最后在顶层覆盖7 nm的Ta作为保护层,防止磁性层被氧化与污染;Ni81Fe19层作为铁磁(FM)层,也称为被钉扎层;Fe50Mn50层作为反铁磁(AFM)层,也被称为钉扎层。Ni81Fe19、Fe50Mn50、Ta的溅射功率分别为35.0 W、34.8 W和30.0 W,沉积速率分别为0.16 nm/s、0.10 nm/s和0.13 nm/s溅射时本底真空为7.0×10-4Pa,溅射中Ar气压为0.4 Pa,溅射时外加300 Oe平行于薄膜样品表面的磁场来诱导薄膜的各向异性。在薄膜沉积完成后对制备的样品进行退火处理,由于柔性衬底耐高温性不强,因此只能将样品在240 ℃温度的真空状态下退火1 h,随后让其自然冷却。为了研究样品的磁特性,我们使用Quantum Design的振动样品磁强计(VSM)通过将样品从室温下零场升温至390 K后,施加3 kOe平行于膜面的冷却场后降温至测量温度65 K,然后维持磁场方向不变改变磁场大小,以10 Oe的步长在±2 500 Oe范围内测量磁滞回线。

2 结果与分析

2.1 反铁磁层厚度对交换偏置效应的影响

为了研究柔性衬底上的交换偏置,在铁磁层厚度保持不变的情况下,制备了Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)双层膜和Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)/Ni81Fe19(19 nm)三层膜的系列样品,并测量了薄膜的磁滞回线,其中tFeMn的变化范围是0～23 nm。图1为分别选取了Fe50Mn50厚度为5 nm、20 nm时双层膜和三层膜的M-H磁滞曲线。由图中可以看出,磁滞回线始终向负轴方向偏移,即交换偏置场始终是负值。同时图中观察到厚度为20 nm时的磁滞回线的偏移量以及矫顽力最大,厚度为5 nm时的偏移量与矫顽力最小,几乎为零,此外,三层膜的交换偏置场及矫顽力都小于双层膜的。

为了确定对交换偏置效应的主要贡献是FM/AFM层之间的界面效应还是AFM体效应,我们比较了双层膜和三层膜的交换偏置场,图2表示了测量温度为65 K下交换偏置场(Heb)随反铁磁层厚度的变化关系。从图中可以清楚的看到,Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)双层膜和Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)/Ni81Fe19(19 nm)三层膜的交换偏置场随着铁磁层厚度的增大表现出先不变后快速增大,随后有所下降后保持平稳的现象。当反铁磁层厚度小于8 nm时,交换偏置场几乎为零,在此厚度以下,FM/AFM体系的界面耦合能大于AFM层中的总各向异性能,使AFM层的自旋随着FM层的磁化反转而旋转,因此,没有产生交换偏置场;超过这一临界值后,交换偏置场随AFM层厚度的增大而急剧增大;当反铁磁层厚度到达13 nm以后,交换偏置场到达最大,随后有所下降;当厚度到达17 nm后基本保持不变[22]。

图1 不同反铁磁层厚度的Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)双层膜及Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)/Ni81Fe19(19 nm)三层膜的磁滞回线(T=65 K)Figure 1 Hysteresis loops of Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn) bilayers and Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50 (tFeMn)/Ni81Fe19(19 nm) trilayers with different antiferromagnetic thickness(T=65 K)

图2 Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)双层膜及Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(tFeMn)/Ni81Fe19(19 nm)三层膜的交换偏置场与反铁磁层厚度之间的关系Figure 2 Antiferromagnetic layer thickness dependence of exchange bias field of Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50 (tFeMn) bilayers and Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50 (tFeMn)/Ni81Fe19(19 nm) trilayers

当tFeMn>8 nm,界面的无序度占主导地位,畴壁的形成在能量上是有利的,这导致交换偏置场随着AFM厚度的增加而增加。对于tFeMn>13 nm,随着Fe50Mn50厚度的增加,形成畴壁变得越来越困难。由于关闭平行于层的域在能量上是不利的,域壁将延伸到垂直于FM/AFM界面的AFM层的整个厚度。在这种情况下,畴壁能量与AFM层厚度成比例的增加。因此,随着AFM层厚度的增加,AFM层中畴壁的形成变得不太有利。随着AFM层厚度的增加,减少了畴壁的数量,从而导致交换偏置场的下降[23]。

因此,交换偏置效应是一种体效应,受AFM畴结构的影响很大。当AFM厚度变化时,畴壁的数量也发生变化,最终影响交换偏置场。此外,由于三层膜的畴壁被顶部的Ni81Fe19层所抑制,三层膜的交换偏置场远小于双层膜的。

2.2 铁磁层厚度对交换偏置效应的影响

图3为Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(tNiFe)三层膜样品的Heb和HC随顶部铁磁层厚度变化的关系曲线。图3(b)显示Heb的值随顶层厚度的增加而减小,当顶层厚度从16 nm增加到34 nm时,Heb从47 Oe下降到3 Oe,HC也随着顶层厚度的增加而减小。实验结果表明,顶部铁磁层对三层膜的EB有很大的影响。此外,随着顶层厚度变大,交换偏置场不随tNiFe厚度线性减小。表明交换偏置场的减少不仅仅是由交换偏置效应本征性质引起的,顶层厚度的抑制也起着重要的作用。

图3 Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(tNiFe)三层膜的矫顽力和交换偏置场与顶部铁磁层厚度之间的关系Figure 3 Top ferromagnetic layer thickness dependence of coercivity and exchange bias field of Ni81Fe19(19 nm)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(tNiFe) trilayers

图4表明了双层膜及三层膜的矫顽力和交换偏置场与底部Ni81Fe19厚度的关系。Ni81Fe19(tNiFe)/Fe50Mn50(13 nm)双层膜与Ni81Fe19(tNiFe)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(19 nm)三层膜的矫顽力和交换偏置场都随底部FM层厚度的增大而减小。此外,三层膜的Heb仍然低于双层膜,这与顶层厚度变化的趋势是一致的。然而,底层厚度的变化比顶层更快,这表明底层和顶层厚度的影响相互独立。此时的交换偏置场随底部FM层厚度近乎线性减小,因此底部厚度的影响更倾向于交换偏置效应的本征性质。

一般来说,FM/AFM/FM三层膜中交换偏置效应的可能起源是两个FM层之间的层间耦合、FM/AFM和AFM/FM界面的耦合以及AFM层的体效应。首先,在实验中发现,两个FM层之间的层间耦合不是减少交换偏置场的主要原因,因为在较薄的AFM层中,层间耦合的影响更强,这可能导致三层膜的交换偏置场小于双层膜的交换偏置场。随着AFM层厚度的增加,层间耦合减弱,可能导致三层膜的Heb高于双层膜的Heb。因此,层间耦合效应不是我们系统中交换偏置效应的主要原因。其次,不能通过考虑两个界面的平均值来解释界面效应。这将导致三层膜的Heb与双层膜的相比有所增强。然而,如图4(b)所示,三层膜的Heb小于双层膜的。因此,对于Ni81Fe19/Fe50Mn50/Ni81Fe19体系,AFM层的体效应是对交换偏置场的主要贡献[24]。

2.3 反铁磁层的体效应对交换偏置的影响

通常,在AFM层的大部分区域的域壁上产生钉扎未补偿磁矩(PUMs),结果表明,AFM层中区域尺寸的变化会影响钉扎未补偿磁矩的密度。如图5所示,域壁的尺寸随着AFM层厚度的增加而增大,这导致了较低密度的钉扎未补偿磁矩。因此,我们认为Ni81Fe19/Fe50Mn50/Ni81Fe19三层膜交换偏置场的减小也可以用NiMn层中的畴壁来解释。基于上述解释,用图5来解释图3和图4中交换偏置场减少的原因。在图5中,钉扎未补偿磁矩与铁磁层之间的耦合用蓝色箭头来说明,灰色箭头表示消失的PUMs。在FM/AFM界面中存在的PUMs直接与FM层耦合。大部分AFM中存在的PUMs也可以通过AFM之间的自旋耦合到FM层。在界面上,PUMs的耦合常数较高,并且随着PUMs与FM层之间距离的增加而减小;在能量上,有利于畴壁通过晶格位错、晶界、非磁性杂质等缺陷[24]。

图4 Ni81Fe19(tNiFe)/Fe50Mn50(13 nm)双层膜及Ni81Fe19(tNiFe)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(19 nm)三层膜的矫顽力和交换偏置场与底部铁磁层厚度之间的关系Figure 4 Bottom ferromagnetic layer thickness dependence of coercivity and exchange bias field of Ni81Fe19(tNiFe)/ Fe50Mn50(13 nm) bilayers and Ni81Fe19(tNiFe)/Fe50Mn50(13 nm)/Ni81Fe19(19 nm) trilayers

如图5(a),在FM/AFM/NM结构中(NM为非磁性层),AFM层在AFM/NM界面上预计会有非磁性杂质,更多的畴壁预计来自顶部AFM/NM界面,这导致AFM层中PUMs密度较高,进而产生更大的交换偏置场。如图5(b),在三层膜的情况下,AFM/FM界面的存在抑制了非磁性杂质的形成,随后形成了畴壁,此外,由于在薄膜中产生与界面平行的畴壁在能量上是不有利的,生成的域壁有望扩展到AFM层的大部分。因此,虽然双层膜和三层膜的结构变化限制在AFM的顶部界面上,但它们的影响有望扩展到整个AFM层的磁序上,这导致了区域结构的变化;当它被夹在两个FM层之间时,AFM层中的域相对较大,这导致其PUMs密度的降低,因此,三层膜的交换偏置场降低[25]。

图5 双层膜与三层膜的钉扎未补偿磁矩的示意图Figure 5 Schematic diagram of pinning uncompensated moment in bilayer and trilayer

3 结 论

通过对比柔性衬底上Ni81Fe19/Fe50Mn50双层膜与Ni81Fe19/Fe50Mn50/Ni81Fe19三层膜的磁性,可以发现三层膜的交换偏置场和矫顽力都比双层膜的小,这表明了对交换偏置场的主要贡献不是来自界面效应,而是来自反铁磁层的体效应。此外,Ni81Fe19/Fe50Mn50/Ni81Fe19三层膜的交换偏置场随顶层和底层铁磁层厚度的增加而减小。原理图中双层膜与三层膜的对比表明,Fe50Mn50层在三层膜中含有较小的PUMs;并且,由于AFM层中的PUMs负责交换偏置场的产生,这导致了较低的交换偏置场。这些现象可以通过考虑AFM层的域状态来解释,从AFM/NM到AFM/FM的顶部AFM界面的变化抑制了AFM层中存在的畴壁,从而导致其中存在的PUMs减少,进而导致三层膜中交换偏置场的减少。本文为以后调控交换偏置场的研究提供了基础,对自旋电子器件的发展具有一定潜在价值。