目前,由电流诱导磁化翻转(current-induced magnetization switching,CIMS)的自旋转移矩(spin transfer torque,STT)垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)器件(如垂直自旋阀、垂直磁隧道结等)引起了人们极大的兴趣[1,2].与易轴在面内的器件相比,基于PMA的器件更适应于高密度和低能耗的需求,除了可以改善器件尺寸减小引起的磁化矢量卷曲(curling)效应外,垂直磁性薄膜还具有较强的磁各向异性,因此可以得到更好的热稳定性.目前对于STT的PMA器件的研究焦点是关键性能的提升,如高的磁电阻(GMR或者TMR).高的热稳定性和相对较低的临界电流密度Jc等.Mangin等[3]从自旋模型中推导出,其中e为基本电荷电量,为普朗克常数,g(θ)是自旋极化的函数,此函数与自由层和参考层的磁化强度夹角θ有关,α为磁阻尼系数,Keff是磁有效各向异性能密度,t为磁性层厚度[3].由此可见,为了使器件的综合性能提升并实用化,对具有高自旋极化率、低磁阻尼系数、合适的PMA和合适磁性层厚度的垂直磁性薄膜的研究成为了重中之重.

传统的垂直磁性薄膜包括Co/Pt,Co/Pd,Co/Ni等多层膜结构[4];TbFeCo,GdFeCo稀土-过渡族金属无定形膜[5];(001)取向L10有序相结构的FePt和CoPt薄膜[6]等.但是这些传统的垂直磁性薄膜或多或少总是存在不足.实际上,虽然多层膜结构易于控制饱和磁化强度Ms和各向异性场Hk,从而降低临界开关电流Ic和更容易实现垂直磁各向异性,但是Co系多层膜中,磁性层厚度一般不能超过0.6nm,超薄的厚度会大大降低有效自旋极化并影响磁电阻效应.此外,多层膜结构制备复杂,而且在后续退火过程中由于界面扩散会造成多层膜结构的毁坏.TbFeCo,GdFeCo稀土-过渡族金属非晶薄膜的磁阻尼系数较高,容易氧化,并且这种稀土合金薄膜的垂直磁性会由于升温退火而被破坏.至于(001)取向的L10有序相(Fe,Co)Pt薄膜,其制备工艺过于复杂苛刻,且磁阻尼系数较大.因此,对传统的垂直磁性薄膜进行改进和性能优化成为目前的研究热点.

Lv等[7]曾在Co/Pt多层膜的Co层内部引入纳米氧化结构,使厚度达1.5 nm的Co层样品经高温退火后转变成垂直磁性.本文在他们研究的基础上制备了一种基于CoFe/Pd双层结构的磁性薄膜.我们考虑在界面处或者CoFe层中引入纳米氧化层,一方面,希望引入的纳米氧化层可以大大增强薄膜的PMA,从而在简单的双层结构中实现垂直磁性薄膜;另一方面是因为CoFe比Co具有更高的自旋极化率和更小的磁弹各向异性[8];此外,由于在过渡族金属掺杂导致的磁阻尼系数增大的研究中,Pd引起的效果远小于Pt[9],而双层膜又比多层膜大大减小了重金属层的厚度,因此基于CoFe/Pd双层结构的薄膜原则上可能具有更低的磁阻尼系数来减小临界电流密度Jc.

本文采用直流磁控溅射系统,在室温下热氧化的Si基片上沉积薄膜.制备的三类样品从底层到顶层分别为Pd(3)/Cu(4)/CoFe(t1)/NOL/Pd(5),Pd(3)/CoFe(0.8)/NOL/CoFe(t2)/Cu(4)/Pd(5)和Pd(3)/CoFe(t3)/NOL/CoFe(1.8)/Cu(4)/Pd(5),t1的范围为1.2—2.5,t2的范围为1.2—2.5,t3的范围为0.6—1.2,NOL是指纳米氧化层.为了对比研究,我们还制备了结构为Pd(3)/Cu(4)/CoFe (tn)/Pd(5)和Pd(3)/CoFe (tn)/Cu(4)/Pd(5)的薄膜,tn的范围为0.2—0.6.以上所标膜层厚度单位均是nm.制备的Pd,Cu和CoFe薄膜是由相应的金属靶和合金靶沉积的,所使用靶材的纯度均高于99.99%,CoFe靶的成分为Co90Fe10.溅射时系统的本底真空低于4×10-5 Pa,用于薄膜沉积的Ar气压为0.5 Pa,纯度高于99.999%.纳米氧化层是在0.5 Pa的高纯氧气中自然氧化3 min形成的.制备后的样品放入真空退火炉中退火,退火真空低于4×10-5 Pa,退火温度为300℃,保温时间为30 min.制备态和退火后样品的磁化曲线(M-H)使用DMS Model 4振动样品磁强计(VSM)测量.

首先对制备态和300℃退火后的第一类样品在室温下进行了磁化曲线的对比测量.测量时,外加磁场垂直于膜面方向.图1分别列出了Pd(3)/Cu(4)/CoFe(t1)/NOL/Pd(5)在t1=1.8,2,和2.2 nm时候的磁化曲线.其中方实心线代表制备态样品的测量曲线,圆空心线代表300℃退火后样品的测量曲线.从图1可见,制备态的样品都表现出面内磁各向异性,而在退火后,磁各向异性明显地从面内转向垂直膜面方向.即使当CoFe层厚度达到了2.2 nm,300℃退火后样品仍旧可以表现出很强的垂直磁性.对比其他CoFe/Pd多层膜的研究结果,为了获得PMA,CoFe层厚度往往不能超过0.6 nm[10],并且退火温度也不能过高以避免界面结构被破坏.为了分析纳米氧化层对垂直各向异性增强效应的影响,我们制备了没有纳米氧化层的Pd(3)/Cu(4)/CoFe (tn)/Pd(5)薄膜,其中tn的范围为0.2—0.6 nm.测量结果显示,不论是制备态还是退火后,没有纳米氧化层的双层膜样品即使在CoFe层厚度薄到0.2 nm时,也不能形成垂直磁性.显然,引入纳米氧化层的样品退火后极强的PMA并非来源于单纯的CoFe/Pd的界面效应.我们对比了第一类样品和没有纳米氧化层的Pd(3)/Cu(4)/CoFe (tn)/Pd(5)薄膜的饱和磁化强度Ms值,可以推测出纳米氧化层对CoFe层氧化的厚度大概为0.8 nm.由此看来,第一类样品在纳米氧化层的帮助下,仅仅采用了双层的CoFe/Pd结构,就能使CoFe层有效厚度达1.4 nm的薄膜经高温退火后转变成垂直磁性.

Nistor等[11]认为氧化物/Co/Pt三明治结构薄膜中增强的垂直磁性来自Co/氧化物界面处Co和O的轨道杂化.而Lv等[7]前期对Co/纳米氧化层/Pt的研究结论分析表明,纳米氧化层的引入会引起退火后氧原子的扩散和再分布,可能在垂直膜面方向形成大量的C一O—Pt键合,从而导致强烈的PMA.本文的结论与Lv等的类似,因此推测在CoFe/Pd双层膜界面间纳米氧化层的引入同样可能会在退火后的垂直膜面方向形成大量的CoFe—O—Pd键合,由此产生强烈的PMA.

既然在CoFe层和Pd层之间引入纳米氧化层后可以使这种简单的双层结构在退火后实现垂直磁性,我们考虑把这种纳米氧化层引入到CoFe层内部,希望除了由键合产生的垂直磁性外,还能利用到CoFe和Pd的界面效应,从而得到更强的垂直磁性.接下来,制备了两类样品,结构分别为Pd(3)/CoFe(0.8)/NOL/CoFe(t2)/Cu(4)/Pd(5)和Pd(3)/CoFe(t3)/NOL/CoFe(1.8)/Cu(4)/Pd(5),t2的范围为1.2—2.5 nm,t3的范围为0.6—1.2 nm.测量结果发现,这两种结构的样品在退火后都能表现出极好的垂直磁性,并且当t3的范围为0.6—0.8nm时,第三类样品在退火后显现出很强的垂直各向异性.因此考虑在第二类样品中将t3固定为0.8nm,通过改变t2的值,观察膜厚对磁性能的影响.为了方便研究,我们将退火后的第一类和第二类样品垂直膜面方向的剩磁比Mr/Ms和矫顽力Hc做图,如图2所示.图2中方实心点线代表垂直膜面方向的剩磁比Mr/Ms值,方空心点线代表对应的矫顽力He值.图2(a)第一类样品中,当t1在2 nm左右时,剩磁比约为0.75,矫顽力约在9 kA/m;随着CoFe厚度减小或增大,剩磁比和矫顽力都会逐渐减小.因为纳米氧化层对CoFe层氧化的厚度大概为0.8 nm,所以t1值减小到1.6 nm以内时,CoFe层的有效厚度已经小于0.8 nm.太薄的CoFe层可能会导致形成的C o-Fe—O—Pd键合不足而难以得到垂直磁性,因此使得垂直方向剩磁比和矫顽力的值下降.

图2(b)第二类样品的垂直方向剩磁比在t2小于1.8 nm时,都在0.9左右,矫顽力Hc值在t2=1.2 nm时最大,约为35.7 kA/m,然后随着CoFe厚度的增加逐渐减小.通过对比无纳米氧化层的Pd(3)/CoFe (tn)/Cu(4)/Pd(5)薄膜的饱和磁化强度Ms值,同样发现纳米氧化层对此类样品CoFe层氧化的厚度大约也为0.8 nm,所以t2的值也就相当于整个薄膜中CoFe层的有效厚度.显然,从图2中可以看出,第二类样品在CoFe层总厚度为2.6 nm,有效厚度为1.8 nm时还能维持较强的PMA,并且剩磁比在t2=1.2—1.8 nm这么宽的范围内都能保持在0.9左右,说明在CoFe层内部引入纳米氧化层的第二类样品确实具有更好的垂直磁性.

为了直观地了解含有纳米氧化层结构中增强的垂直各向异性,图3给出了退火前后从饱和磁化曲线图计算得到的有效各向异性能密度Keff和CoFe层厚度之间的关系.薄膜中有效磁各向异性能密度Keff=(HeffMs)/2,Heff为有效各向异性场[4].从图3中可以看到,退火前所有样品的各向异性能密度Keff值都小于零,负的Keff值表明了所有制备态样品都是面内磁化的.在300℃退火后,对于第一类样品,在t1为L5到2.2 nm范围,Keff值大于零,尤其是t1在2 nm附近,Keff值最大约为2.5×105 J/m3;对于第二类样品当,t2位于1.2到2nm的范围内时,Keff值能保持在约4×105J/m3,当t2超过2nm后,Keff值才迅速下降.以上结果说明了纳米氧化层的引入可以使CoFe/Pd双层膜结构在退火后表现出强烈的垂直磁性,并且在CoFe层内部引入纳米氧化层的样品除了具有更强的垂直磁性外,还可以在相当宽的有效厚度范围内(1.2—2 nm)保持这种垂直磁性.

考虑到这种含有纳米氧化层的简单双层垂直磁性膜可用作垂直磁性器件的电极,而且从图2第一类和第二类样品矫顽力值的差别看来,这两类薄膜也非常适合作为自旋阀的自由层和参考层.我们曾经尝试制备了包含这两类结构的自旋阀,但是遗憾的是,磁测量结果发现这两部分完全耦合在一起.我们猜测可能是因为退火后氧原子的扩散破坏了Cu层.如果采用Au或者Ag层替代Cu层,也许能缓解这种氧原子的破坏能力.期待进一步的工作能尽早将这种含有纳米氧化层的简单双层垂直磁性膜百富策略白菜网到实际器件中.

本文通过磁控溅射方法制备了三类基于CoFe/Pd双层结构的磁性薄膜,其中第一类结构为Pd(3 nm)/Cu(4 nm)/CoFe(t1 nm)/NOL/Pd(5 nm),第二类结构为Pd(3 nm)/CoFe(0.8 nm)/NOL/CoFe(t2nm)/Cu(4 nm)/Pd(5 nm),第三类结构为Pd(3 nm)/CoFe(t3 nm)/NOL/CoFe(1.8 nm)/Cu(4 nm)/Pd(5nm).研究结果表明,纳米氧化层的引入,可以大大增强退火后薄膜的PMA,推测这种增强的垂直磁性可能来自退火后垂直膜面方向形成的大量CoFe—O—Pd键合.对于第二类在CoFe层内部引入纳米氧化层的样品,其退火后的垂直磁性比第一类在界面间引入纳米氧化层的样品更强,并且在相当宽的有效厚度范围内(1.2—2 nm)都可以维持.本文中这种在传统垂直磁性薄膜上改进的新型垂直膜由于不采用多层膜结构,具有相当厚的铁磁层厚度和较强的PMA,所以更易于制备,具有更低的磁阻尼系数、更高的自旋极化和热稳定性.如果用于垂直磁性器件电极将有利于器件综合性能的提升.