垂直磁各向異性多層膜結(jié)構(gòu)中的磁耦合現(xiàn)象研究.pdf

1、在磁存儲(chǔ)技術(shù)中，不同磁性膜層間的磁耦合現(xiàn)象是影響信息有效存儲(chǔ)和讀取的關(guān)鍵因素。具有垂直磁各向異性的高密度新型磁隨機(jī)存儲(chǔ)器件與面內(nèi)磁化的器件相比具有多種優(yōu)勢，但垂直各向異性多層膜的特殊材料和結(jié)構(gòu)會(huì)在磁耦合中引入新的現(xiàn)象和物理機(jī)制。為了在垂直磁化的自旋閥、隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)高熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性和低寫入功耗，需要對垂直磁各向異性多層膜中的層間交換耦合、交換偏置耦合等的規(guī)律、影響機(jī)制及溫度特性進(jìn)行研究。
　　本論文采用基于CoFeB合金這一新型

2、材料的垂直各向異性多層膜，成功制備了易軸垂直取向的人工合成反鐵磁和交換偏置結(jié)構(gòu)。由于其垂直各向異性來源于界面，[CoFeB/Pt or Pd]周期性結(jié)構(gòu)具有磁性層厚度薄、界面效應(yīng)顯著等區(qū)別于面內(nèi)磁化薄膜的特點(diǎn)，但由此而造成的垂直各向異性與面內(nèi)各向異性結(jié)構(gòu)中磁耦合現(xiàn)象的區(qū)別尚未得到充分研究。而本論文通過對樣品膜層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用變化近鄰CoFeB層厚度、添加界面夾入層、區(qū)別上下界面、多溫度測量和熱處理等實(shí)驗(yàn)手段，重點(diǎn)考察了界面和超薄膜效應(yīng)

3、對層間交換耦合和交換偏置的影響及其機(jī)理，對提高垂直各向異性自旋電子學(xué)器件的性能具有重要的應(yīng)用意義。
　　本論文的工作及結(jié)果主要包括以下幾個(gè)方面:
　　一、成功制備了具有垂直各向異性的人工合成反鐵磁結(jié)構(gòu)[Pt/CoFeB]N1/Ru/[CoFeB/Pt]N2，并系統(tǒng)研究了各結(jié)構(gòu)和測量參數(shù)對其耦合和磁化翻轉(zhuǎn)特性的影響。層間交換耦合的強(qiáng)度隨Ru層厚度的增加呈現(xiàn)出振蕩衰減的規(guī)律;通過調(diào)節(jié)多層膜的周期數(shù)改變了磁化翻轉(zhuǎn)的順序和翻轉(zhuǎn)平臺(tái)大

4、小，同時(shí)通過磁矩與交換場隨周期數(shù)變化的分析分離出了界面磁性死層的厚度。確定了反鐵磁耦合的峰值強(qiáng)度和對應(yīng)的中間層厚度，并初步測量了耦合強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系。
　　二、在基于[CoFeB/Pd]N多層膜的垂直各向異性人工合成反鐵磁結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)研究了層間交換耦合隨測量溫度的變化特性及其影響因素。通過改變與Ru近鄰的CoFeB層厚度，發(fā)現(xiàn)層間耦合的強(qiáng)度受到超薄膜中自旋波熱激發(fā)的影響而在更薄的樣品中隨溫升下降更快。通過調(diào)節(jié)CoFeB單層之間經(jīng)

5、由Pd產(chǎn)生的鐵磁耦合，加強(qiáng)了鐵磁層內(nèi)的有效交換作用強(qiáng)度，進(jìn)而改善了層間耦合的強(qiáng)度和溫度特性。反鐵磁耦合峰值的位置隨溫度和近鄰CoFeB層厚度的變化而移動(dòng)，對應(yīng)于CoFeB與Ru界面上磁性死層厚度的相應(yīng)變化;通過實(shí)驗(yàn)分離出了上、下界面死層的不同貢獻(xiàn)。
　　三、系統(tǒng)地研究了[CoFeB/Pd]N垂直各向異性多層膜與MnIr相耦合系統(tǒng)的交換偏置及其溫度特性。在tCFB≦0.7 nm范圍內(nèi)，交換偏置的強(qiáng)度在各個(gè)測量溫度下均隨著近鄰層厚度t