CoFe基垂直磁各向异性合金薄膜的制备及特性研究

发布时间：2020-04-02 01:13

【摘要】：随着信息技术的发展,对存储技术的要求越来越高,提高记录密度和读写速度,降低功耗已经成为信息技术中研究最为活跃的领域之一。基于垂直磁隧道结(Magnetic Tunnelling Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有存储密度大、读写速度快和功耗低等优点而有望成为新一代通用存储器。Co_2FeAl(CFA)和GdFeCo两种软磁薄膜具有大的垂直磁各向异性。另外,CFA合金薄膜有着高的自旋极化率和低的阻尼因子,GdFeCo薄膜可实现在皮秒到飞秒级别的超快磁化翻转,因此它们被广泛应用于MRAM中。CFA和GdFeCo是制备垂直磁隧道结的热门材料,因此研究它们的垂直磁各向异性具有重要的意义。本论文就CFA和GdFeCo两种垂直磁各向异性合金薄膜的制备及磁、光、电与结构特性进行了系统的研究,主要内容如下:首先,用直流磁控溅射法分别在32 W和13 W功率下制备了25 nm厚的CFA合金薄膜,并进行了退火处理。研究了溅射功率和退火温度对CFA薄膜磁与结构特性的影响。高功率下制备的沉积态薄膜就具有强磁性,同时也具有单轴磁各向异性;而对应的低功率下制备的沉积态薄膜则呈现出弱磁性。300℃退火后出现单轴磁各向异性;700℃退火后,所有的薄膜均表现为磁各向同性。随着退火温度的升高,薄膜的矫顽力变大。X射线衍射分析表明的随着热处理温度升高,薄膜的晶粒尺寸增大,从而导致晶粒间磁耦合作用增强,这与薄膜的磁特性结果相一致。其次,在Pd/CFA/MgO结构中实现了易轴垂直于膜面。制备了一系列Pd/CFA/MgO结构薄膜,并在200-450℃进行真空退火。系统地研究了退火温度、磁性层厚度、Pd/CFA和CFA/MgO界面对薄膜垂直磁各向异性的影响。结果表明,Pd/CFA/MgO结构薄膜经250-400℃退火后具有垂直磁各向异性。在300-350℃退火下薄膜的垂直磁各向异性最佳,并且观察到垂直CFA厚度范围为3-5 nm,有效磁各向异性常数可达到2×10~6 erg/cm~3。另外研究发现Pd/CFA和CFA/MgO界面都对薄膜的垂直磁各向异性具有正贡献。最后,采用镶嵌靶技术,在不同直流溅射功率下制备了一系列厚度为100 nm的GdFeCo薄膜。随着溅射功率的增大,GdFeCo薄膜的易轴从水平方向变成垂直方向,然后再变成水平方向。这是由于随着溅射功率的增加,Gd的含量增加所导致的。为了研究薄膜的热稳定性,在不同温度下对富Gd的GdFeCo薄膜进行真空热处理,测量了薄膜的磁电和磁光特性,200℃下退火的薄膜还保持着富Gd的垂直,表明制备的薄膜有好的热稳定性。另外,我们采用射频磁控溅射法制备了一系列厚度更薄的GdFeCo薄膜,同样实现了GdFeCo薄膜磁特性的可调。
【图文】：

第 1 章 绪论随着信息技术的发展，大数据时代的到来，需要存储的信息量迅速增长。面对信息存储，研究者们不断地寻找新方法来提高信息存储密度。目前，高密度存储系统主要有以下几种：磁记录存储、相变存储和半导体存储等。因为磁记录存储容量大，性价比和稳定性高，所以现在应用最广泛的是磁记录存储[1-2]。磁记录存储的发展历程大体经历了三个阶段。第一阶段主要致力于薄膜磁头的开发和真空溅射技术的改进。第二阶段则主要是巨磁电阻（GiantMagnetoresistance, GMR）效应的应用，使得磁记录密度在上世纪 90 年代得到快速增长。上世纪 80 年代末，德国的 Grünberg 研究组[3]和法国的 Fert 研究组[4]分别在 Fe/Cr 多层膜中发现了巨磁电阻效应。值得提及的是他们因此共同获得 2007年诺贝尔物理学奖。随后 IBM 公司成功研制出基于 GMR 效应的磁头，将存储密度提高到 10 G bit/in2[5]。

小记录位的尺寸：减少每一个记录位内的晶粒数和减小晶粒尺寸。一方面，信噪比正比于 N1/2（N 为每一记录位中的晶粒数），所以为保障一定的信噪比，每一单元中要有足够数量的晶粒。另一方面，晶粒体积的减小受超顺磁效应的限制。晶粒尺寸越小，其具备的能量就越小，分子的热扰动就能破坏它的磁性，这种现象就是超顺磁效应[8]。研究者们用晶粒的弛豫时间 τ 来表征热稳定性[9]，τ由公式 1.1 决定：9B=10 exp(K V / k T) μτ (1.1)式中 Kμ为磁各向异性常数，V 为晶粒的体积。从式中可以发现为了保证介质中晶粒磁化状态的稳定，应保持较高的 KμV 值。但是 Kμ值的增加受磁写入能力的限制，因此 V 不能太小。综上所述，记录位单元内的晶粒数不能太少，，晶粒尺寸又不能太小。虽然使用具有更高磁各向异性常数 Kμ的介质可以提高热稳定性，但是又为磁写入带来困难。因此，提高磁记录密度陷入了 SNR、热稳定性和磁头写入能力三者无法兼顾的困境。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.27;TB383.2;TP333

【参考文献】

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本文编号：2611229