Co/Ni多层膜的垂直磁各向异性及畴结构研究
发布时间：2022-01-02 00:36
近年来,垂直磁各向异性（Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA）磁性多层膜在磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory,MRAM）方面表现出了巨大的潜在应用价值,因此引起了科研人员非常大的研究热情。Co/Ni多层膜具有可调的垂直磁各向异性、高的自旋极化率和低的阻尼,使其在自旋器件中具有非常大的应用价值,因此对Co/Ni多层膜的垂直各向异性变化及磁畴结构的研究是非常必要的。本论文首先采用Au作为缓冲层,研究了缓冲层Au、磁性层Ni、Co/Ni周期数N以及低温等条件对Co/Ni结构样品静态及动态磁性能的影响。当缓冲层Au的厚度大于等于5 nm时,薄膜表现出垂直磁各向异性。具体表现为Ni/Co层的厚度比为2/1时,薄膜的垂直磁各向异性最强,其Co/Ni界面的各向异性常数Ks大约为0.28 mJ/m2。随着周期数N增大,样品矫顽力Hc下降,有效垂直各向异性常数Keff下降,饱和磁化强度Ms上升。周期数N=5或7的样品磁化...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁随机存储器的结构示意图[3]
兰州大学硕士学位论文Co/Ni多层膜的垂直磁各向异性及畴结构研究4图1-2STT-MRAM结构示意图[3]1.2.3垂直磁各向异性磁随机存储器在早期MRAM的记录单元中，SV或MTJ中参考层和自由层都是具有面内各向异性的材料。这种磁性薄膜结构比较简单，工艺难度小，成本低。但是，随着存储容量的不断增大，面内膜的缺点也开始显现出来。对于MRAM结构中的GMR面内存储单元，当器件尺寸小到长宽比小于2时，由于器件边缘磁化时涡旋效应的出现，信息的读写会受到影响[18]。垂直磁各向异性（PMA）材料则可以解决这些问题，这类材料的磁矩垂直于面内排列，相对于面内各向异性材料，PMA材料的厚度很薄，小尺寸更有利于在垂直方向上的稳定，因此会实现MRAM的小型化。另外，PMA材料在STT效应中使自由层的磁矩发生翻转所需的临界电流密度会更小[5,19-23]。除此之外，将PMA材料应用于STT-MRAM，还会使得翻转稳定性更强[24,25]、热稳定性更高[13,26]以及记录密度更高[4,10,27]。综上，只有充分分析和研究清楚PMA薄膜材料的各种基本性能，才能开发新一代满足社会发展需求的STT-MRAM。从PMA材料发现至今，Co/Ni、Co/Pt和Co/Pd等PMA多层膜结构是垂直自旋阀或磁性隧道结的典型材料。在本论文中，我们主要是研究Co/Ni多层膜。1.3磁各向异性简述1.3.1磁性材料的各向异性随着磁学理论的发展和人类科技的不断进步，磁性材料已经成为推动经济和社会发展的不可或缺的基础材料。现如今，磁性材料性能的不断优化与新型磁性材料的涌现，使得信息、能源和交通等产业都进入了空前绝后的快速发展阶段。本小节主要介绍磁性材料各种相互作用的能量，参考书目有：《磁学基础与磁性
兰州大学硕士学位论文Co/Ni多层膜的垂直磁各向异性及畴结构研究8图1-3文献中样品（2Co/tNi）8的各向异性常数与厚度的乘积随Ni层厚度的变化关系图[36]因为磁性多层膜的PMA是来源于界面各向异性的，所以界面的质量与数量对多层膜PMA的大小有着重要影响。具体就是缓冲层的厚度影响上面多周期界面的粗糙度，多周期的数量会影响界面的数量。Bertero等人[37]认为，清晰明锐的界面有利于获得更强的垂直磁各向异性。因为清晰明锐的界面可以使更多的电子被局域在一个范围，增强界面处的电子自旋和角动量密度，从而增强自旋轨道耦合。缓冲层太厚会使粗糙度过大，影响上面多周期界面的质量。缓冲层太薄，取向弱，很难诱导出PMA，因此只有当缓冲层厚度在一定范围增加时，引起晶粒尺寸增大，生长在上面的磁性层才会有好的晶体结构，获得较强的PMA。界面的数量主要是由周期数决定的，周期数越大，界面的数量就越多。但是界面数量过多时，磁性层的厚度也会相应变大，退磁场就会增大，将磁矩压向面内。除此之外，界面的质量还可以通过一种方式进行提高，就是退火。对薄膜进行退火，然后研究其磁性能的变化是一种常见的研究热稳定性的手段。在合适的温度下退火可以使界面处的元素进行重结晶，比生长时更加有序，同时可能消除薄膜内部残存的应力、缺陷等，提高薄膜的质量。但是，过高温度的退火会使原子扩散严重，出现合金化，界面变得模糊，薄膜的垂直磁各向异性也会减小甚至消失。图1-4为实验上PMA薄膜有效垂直磁各向异性常数Keff计算的示意图，各向异性场Hk和有效各向异性常数Keff的计算公式为=2∫()0（1.14）=/2（1.15）可以看出，Hk是通过归一化的难易轴磁滞回线所包围的面积差[15,38]来得到的（如图1-4中的阴影部分），积分的范围从0?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancement of post-annealing stability in Co/Ni multilayers with perpendicular magnetic anisotropy by Au insertion layers[J]. Yi Cao,Ming-Hua Li,Kang Yang,Xi Chen,Guang Yang,Qian-Qian Liu,Guang-Hua Yu. Rare Metals. 2016(10)
[2]铌酸锂衬底上磁控溅射ITO薄膜及其光电性质研究[J]. 柯笑晗,陈云琳,朱亚彬,范天伟. 人工晶体学报. 2015(02)
[3]原子力显微镜的工作原理及其应用[J]. 徐井华,李强. 通化师范学院学报. 2013(02)
[4]用表面磁光克尔原理测量薄膜材料的磁性参数[J]. 祁建霞. 大学物理. 2009(09)
[5]磁光克尔效应及其测量[J]. 马廷钧,安玲,陈未杰. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2005(06)
[6]振动样品磁强计在磁记录介质中的应用[J]. 王芳,许小红. 信息记录材料. 2004(04)
[7]X射线衍射分析的实验方法及其应用[J]. 胡林彦,张庆军,沈毅. 河北理工学院学报. 2004(03)
[8]原子力显微镜及其应用[J]. 刘小虹,颜肖慈,罗明道,李伟. 自然杂志. 2002(01)
[9]磁力显微镜的发展历史、原理和应用[J]. 韩宝善. 理化检验(物理分册). 1998(04)
[10]铌酸锂光波导中的共振声光耦合和它在表面声波相速测定中的作用[J]. 胡鸿璋,赵慈,詹仰钦. 中国激光. 1996(05)
博士论文
[1]自旋轨道矩驱动垂直磁化异质结磁矩翻转和磁畴壁运动的研究[D]. 崔宝山.兰州大学 2019
[2]坡莫合金薄膜中条纹畴结构高频磁性的调控[D]. 潘丽宁.兰州大学 2019
[3]Fe基软磁薄膜的高频磁性研究[D]. 曹德让.兰州大学 2016
[4]单晶铌酸锂薄膜的结构和属性研究[D]. 韩黄璞.山东大学 2016
[5]铁钴基合金薄膜的静态与动态磁性研究[D]. 郑富.兰州大学 2012
硕士论文
[1]界面效应对Fe基软磁薄膜高频性能及垂直各向异性的调控[D]. 谢宏康.兰州大学 2019
[2]Ta\CoFeB\MgO多层膜中垂直各向异性的研究[D]. 郝良.兰州大学 2015
[3]Co/Ni多层膜的磁性及其热稳定性研究[D]. 王光中.复旦大学 2013
[4]磁性膜系统的铁磁共振现象研究[D]. 顾文娟.扬州大学 2012
[5]基于AMR效应与Si集成的开关芯片的制备[D]. 徐慧忠.电子科技大学 2011
[6]垂直磁各向异性器件中的自旋转移矩效应模拟研究[D]. 邱永成.复旦大学 2010
本文编号：3563119
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁随机存储器的结构示意图[3]
兰州大学硕士学位论文Co/Ni多层膜的垂直磁各向异性及畴结构研究4图1-2STT-MRAM结构示意图[3]1.2.3垂直磁各向异性磁随机存储器在早期MRAM的记录单元中，SV或MTJ中参考层和自由层都是具有面内各向异性的材料。这种磁性薄膜结构比较简单，工艺难度小，成本低。但是，随着存储容量的不断增大，面内膜的缺点也开始显现出来。对于MRAM结构中的GMR面内存储单元，当器件尺寸小到长宽比小于2时，由于器件边缘磁化时涡旋效应的出现，信息的读写会受到影响[18]。垂直磁各向异性（PMA）材料则可以解决这些问题，这类材料的磁矩垂直于面内排列，相对于面内各向异性材料，PMA材料的厚度很薄，小尺寸更有利于在垂直方向上的稳定，因此会实现MRAM的小型化。另外，PMA材料在STT效应中使自由层的磁矩发生翻转所需的临界电流密度会更小[5,19-23]。除此之外，将PMA材料应用于STT-MRAM，还会使得翻转稳定性更强[24,25]、热稳定性更高[13,26]以及记录密度更高[4,10,27]。综上，只有充分分析和研究清楚PMA薄膜材料的各种基本性能，才能开发新一代满足社会发展需求的STT-MRAM。从PMA材料发现至今，Co/Ni、Co/Pt和Co/Pd等PMA多层膜结构是垂直自旋阀或磁性隧道结的典型材料。在本论文中，我们主要是研究Co/Ni多层膜。1.3磁各向异性简述1.3.1磁性材料的各向异性随着磁学理论的发展和人类科技的不断进步，磁性材料已经成为推动经济和社会发展的不可或缺的基础材料。现如今，磁性材料性能的不断优化与新型磁性材料的涌现，使得信息、能源和交通等产业都进入了空前绝后的快速发展阶段。本小节主要介绍磁性材料各种相互作用的能量，参考书目有：《磁学基础与磁性
兰州大学硕士学位论文Co/Ni多层膜的垂直磁各向异性及畴结构研究8图1-3文献中样品（2Co/tNi）8的各向异性常数与厚度的乘积随Ni层厚度的变化关系图[36]因为磁性多层膜的PMA是来源于界面各向异性的，所以界面的质量与数量对多层膜PMA的大小有着重要影响。具体就是缓冲层的厚度影响上面多周期界面的粗糙度，多周期的数量会影响界面的数量。Bertero等人[37]认为，清晰明锐的界面有利于获得更强的垂直磁各向异性。因为清晰明锐的界面可以使更多的电子被局域在一个范围，增强界面处的电子自旋和角动量密度，从而增强自旋轨道耦合。缓冲层太厚会使粗糙度过大，影响上面多周期界面的质量。缓冲层太薄，取向弱，很难诱导出PMA，因此只有当缓冲层厚度在一定范围增加时，引起晶粒尺寸增大，生长在上面的磁性层才会有好的晶体结构，获得较强的PMA。界面的数量主要是由周期数决定的，周期数越大，界面的数量就越多。但是界面数量过多时，磁性层的厚度也会相应变大，退磁场就会增大，将磁矩压向面内。除此之外，界面的质量还可以通过一种方式进行提高，就是退火。对薄膜进行退火，然后研究其磁性能的变化是一种常见的研究热稳定性的手段。在合适的温度下退火可以使界面处的元素进行重结晶，比生长时更加有序，同时可能消除薄膜内部残存的应力、缺陷等，提高薄膜的质量。但是，过高温度的退火会使原子扩散严重，出现合金化，界面变得模糊，薄膜的垂直磁各向异性也会减小甚至消失。图1-4为实验上PMA薄膜有效垂直磁各向异性常数Keff计算的示意图，各向异性场Hk和有效各向异性常数Keff的计算公式为=2∫()0（1.14）=/2（1.15）可以看出，Hk是通过归一化的难易轴磁滞回线所包围的面积差[15,38]来得到的（如图1-4中的阴影部分），积分的范围从0?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancement of post-annealing stability in Co/Ni multilayers with perpendicular magnetic anisotropy by Au insertion layers[J]. Yi Cao,Ming-Hua Li,Kang Yang,Xi Chen,Guang Yang,Qian-Qian Liu,Guang-Hua Yu. Rare Metals. 2016(10)
[2]铌酸锂衬底上磁控溅射ITO薄膜及其光电性质研究[J]. 柯笑晗,陈云琳,朱亚彬,范天伟. 人工晶体学报. 2015(02)
[3]原子力显微镜的工作原理及其应用[J]. 徐井华,李强. 通化师范学院学报. 2013(02)
[4]用表面磁光克尔原理测量薄膜材料的磁性参数[J]. 祁建霞. 大学物理. 2009(09)
[5]磁光克尔效应及其测量[J]. 马廷钧,安玲,陈未杰. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2005(06)
[6]振动样品磁强计在磁记录介质中的应用[J]. 王芳,许小红. 信息记录材料. 2004(04)
[7]X射线衍射分析的实验方法及其应用[J]. 胡林彦,张庆军,沈毅. 河北理工学院学报. 2004(03)
[8]原子力显微镜及其应用[J]. 刘小虹,颜肖慈,罗明道,李伟. 自然杂志. 2002(01)
[9]磁力显微镜的发展历史、原理和应用[J]. 韩宝善. 理化检验(物理分册). 1998(04)
[10]铌酸锂光波导中的共振声光耦合和它在表面声波相速测定中的作用[J]. 胡鸿璋,赵慈,詹仰钦. 中国激光. 1996(05)
博士论文
[1]自旋轨道矩驱动垂直磁化异质结磁矩翻转和磁畴壁运动的研究[D]. 崔宝山.兰州大学 2019
[2]坡莫合金薄膜中条纹畴结构高频磁性的调控[D]. 潘丽宁.兰州大学 2019
[3]Fe基软磁薄膜的高频磁性研究[D]. 曹德让.兰州大学 2016
[4]单晶铌酸锂薄膜的结构和属性研究[D]. 韩黄璞.山东大学 2016
[5]铁钴基合金薄膜的静态与动态磁性研究[D]. 郑富.兰州大学 2012
硕士论文
[1]界面效应对Fe基软磁薄膜高频性能及垂直各向异性的调控[D]. 谢宏康.兰州大学 2019
[2]Ta\CoFeB\MgO多层膜中垂直各向异性的研究[D]. 郝良.兰州大学 2015
[3]Co/Ni多层膜的磁性及其热稳定性研究[D]. 王光中.复旦大学 2013
[4]磁性膜系统的铁磁共振现象研究[D]. 顾文娟.扬州大学 2012
[5]基于AMR效应与Si集成的开关芯片的制备[D]. 徐慧忠.电子科技大学 2011
[6]垂直磁各向异性器件中的自旋转移矩效应模拟研究[D]. 邱永成.复旦大学 2010
本文编号：3563119
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