垂直磁各向异性多层膜结构中的磁耦合现象研究

发布时间：2020-07-10 15:47

【摘要】：在磁存储技术中,不同磁性膜层间的磁耦合现象是影响信息有效存储和读取的关键因素。具有垂直磁各向异性的高密度新型磁随机存储器件与面内磁化的器件相比具有多种优势,但垂直各向异性多层膜的特殊材料和结构会在磁耦合中引入新的现象和物理机制。为了在垂直磁化的自旋阀、隧道结中实现高热稳定性、磁稳定性和低写入功耗,需要对垂直磁各向异性多层膜中的层间交换耦合、交换偏置耦合等的规律、影响机制及温度特性进行研究。本论文采用基于CoFeB合金这一新型材料的垂直各向异性多层膜,成功制备了易轴垂直取向的人工合成反铁磁和交换偏置结构。由于其垂直各向异性来源于界面,[CoFeB/Pt or Pd]周期性结构具有磁性层厚度薄、界面效应显著等区别于面内磁化薄膜的特点,但由此而造成的垂直各向异性与面内各向异性结构中磁耦合现象的区别尚未得到充分研究。而本论文通过对样品膜层结构的设计,采用变化近邻CoFeB层厚度、添加界面夹入层、区别上下界面、多温度测量和热处理等实验手段,重点考察了界面和超薄膜效应对层间交换耦合和交换偏置的影响及其机理,对提高垂直各向异性自旋电子学器件的性能具有重要的应用意义。本论文的工作及结果主要包括以下几个方面：一、成功制备了具有垂直各向异性的人工合成反铁磁结构[Pt/CoFeB]N1 /Ru/[CoFeB/Pt]N2,并系统研究了各结构和测量参数对其耦合和磁化翻转特性的影响。层间交换耦合的强度随Ru层厚度的增加呈现出振荡衰减的规律；通过调节多层膜的周期数改变了磁化翻转的顺序和翻转平台大小,同时通过磁矩与交换场随周期数变化的分析分离出了界面磁性死层的厚度。确定了反铁磁耦合的峰值强度和对应的中间层厚度,并初步测量了耦合强度随温度的变化关系。二、在基于[CoFeB/Pd]N多层膜的垂直各向异性人工合成反铁磁结构中重点研究了层间交换耦合随测量温度的变化特性及其影响因素。通过改变与Ru近邻的CoFeB层厚度,发现层间耦合的强度受到超薄膜中自旋波热激发的影响而在更薄的样品中随温升下降更快。通过调节CoFeB单层之间经由Pd产生的铁磁耦合,加强了铁磁层内的有效交换作用强度,进而改善了层间耦合的强度和温度特性。反铁磁耦合峰值的位置随温度和近邻CoFeB层厚度的变化而移动,对应于CoFeB与Ru界面上磁性死层厚度的相应变化；通过实验分离出了上、下界面死层的不同贡献。三、系统地研究了[CoFeB/Pd]N垂直各向异性多层膜与MnIr相耦合系统的交换偏置及其温度特性。在tCFB"f0.7 nm范围内,交换偏置的强度在各个测量温度下均随着近邻层厚度tCFB的增大而增大,而交换偏置截止温度TB的峰值位置和分布范围也受到tCF8的影响。下钉扎与上钉扎样品的交换场随退火温度表现出不同的变化趋势。通过在CoFeB与MnIr之间夹入Pd或Cu薄层,或在膜层下方增加引导层,实现了对矫顽力和交换偏置场的调控。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333;O484.43

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