ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 10, с. 1040-1046
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.624
ГИГАНТСКОЕ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ СВЕРХРЕШЕТОК CoFe/Cu
С БУФЕРНЫМ СЛОЕМ (Ni80Fe20)60Cr40
© 2015 г. Н. С. Банникова*, М. А. Миляев*, Л. И. Наумова*, В. В. Проглядо*, Т. П. Криницина*, И. Ю. Каменский*, **, В. В. Устинов*
*Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Уральский Федеральный Университет, 620002Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: bannikova@imp.uran.ru Поступила в редакцию 06.04.2015 г.; в окончательном варианте — 21.04.2015 г.;
Методом магнетронного напыления приготовлены сверхрешетки — подложка//(М180Ре20)60Сг40/ [Co90Fei0/Cu]n/Cr, содержащие немагнитный буферный слой пермаллой-хром различной толщины. Проведена оптимизация толщин слоев сверхрешетки для получения максимального магнито-сопротивления. Установлено, что использование буферного слоя (Ni80Fe20)60Cr40 приводит к формированию в последующих слоях сверхрешеток более совершенной кристаллической структуры по сравнению со сверхрешетками с буферными слоями Cr или Co90Fei0. В сверхрешетке с оптимальной толщиной буферного слоя (Ni80Fe20)60Cr40 и с тонкими слоями меди tCu = 9.5 А получено значение гигантского магниторезистивного эффекта 54% при комнатной температуре.
Ключевые слова: гигантский магниторезистивный эффект, сверхрешетки, CoFe/Cu, магнетронное напыление, буферный слой NiFeCr, текстура (111).
DOI: 10.7868/S0015323015100022
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные металлические сверхрешетки с гигантским магниторезистивным (ГМР) эффектом являются одним из видов металлических многослойных наноструктур, которые используются в современных магниточувствительных устройствах радиоэлектроники и спинтроники [1, 2]. Максимальное магнитосопротивление (величина ГМР-эффекта) для разных типов обменно-связанных сверхрешеток составляет, как правило, десятки процентов, а поле магнитного насыщения варьируется в широких пределах — от сотен эрстед до нескольких десятков килоэрстед. Для некоторых типов многослойных наноструктур характерно наличие широкого диапазона рабочих температур свыше 250°С, в котором величина ГМР может сохраняться при длительном нагреве [3, 4]. Такими многослойным наноструктурами являются, например, сверхрешетки на основе ферромагнитного сплава Со90Бе10 (далее — СоБе) и слоев Си, в которых высокая температурная стабильность сочетается с магнитосопротивлением в десятки процентов и относительно малым гистерезисом.
Было установлено, что магнитные и магнито-резистивные свойства сверхрешеток в значительной степени могут меняться в зависимости от выбранного материала буферного слоя, на котором формируется многослойная структура [5]. В част-
ности, для разных материалов буферного слоя величина ГМР-эффекта сверхрешеток CoFe/Cu может изменяться в несколько раз, а ширина петли гистерезиса — более чем в 10 раз [6]. Выявленные особенности сверхрешеток CoFe/Cu указывают на возможность дальнейшего улучшения их функциональных характеристик за счет использования такого материала буферного слоя, который бы способствовал формированию наиболее совершенной структуры последующих слоев в сверхрешетке. В настоящей работе показано, что таким эффективным материалом буферного слоя может выступать немагнитный сплав пермаллой-хром (PyCr) состава: (Ni80Fe20)60Cr40.
Сплавы пермаллой—хром ранее были использованы в качестве буферного слоя для приготовления пленок с анизотропным магниторезистивным (АМР) эффектом и в наноструктурах типа "спиновый клапан". В работе [7] для буферного слоя из сплава Py100- xCrx было установлено оптимальное содержание хрома х = 40, при котором в нанесенном последующем слое пермаллоя была сформирована кристаллическая структура с большим размером зерен, что коррелировало также с наблюдаемой максимальной величиной АМР эффекта. Аналогичные результаты были получены в работе [8] при исследовании структурных и магнитных свойств системы Py100- xCrx/Py/Pt48Mn52,
»русг = 5.5 нм и равные толщины для CoFe и Cu сло-
в которой была обнаружена острая текстура (111) и наибольший размер зерен при х = 40. В ряде работ, касающихся синтеза и исследования спиновых клапанов с буферными слоями на основе PyCr или Ta/PyCr, выявлено повышение качества слоистой структуры, формирование выраженной текстуры (111) и показано связанное со структурными изменениями улучшение магниторезистивных характеристик наноструктур [9—11].
Что касается магнитных металлических сверхрешеток на основе Co90Fe10, то имеется весьма ограниченное число работ, в которых используется немагнитный буферный слой PyCr. Авторам настоящей работы известны только две статьи, имеющие непосредственное отношение к изучаемым наноструктурам. В работе [12] для сверхрешеток Co90Fe10/Ru в качестве буферного слоя использовался (Ni80Fe20)60Cr40 фиксированной толщины 5 нм. Авторы исследовали межслойную диффузию, обусловленную отжигом сверхрешеток. Во второй работе [13] проведены исследования магнитострикции и величины растягивающих напряжений в зависимости от числа пар слоев для сверхрешеток PyCr/[CoFe/Cu]n/PyCr, имеющих tp
ев t = 1.5 нм.
В указанных выше работах [7, 9—11] использование буферного слоя (Ni80Fe20)60Cr40 привело к улучшению магниторезистивных характеристик наноструктур. Можно ожидать, что применение буферного слоя такого состава для приготовления сверхрешеток CoFe/Cu будет способствовать повышению ГМР эффекта. В связи с этим представляет интерес приготовление сверхрешеток PyCr/[Co90Fe10/Cu]n с различными толщинами отдельных слоев и оптимизация их функциональных характеристик, а также исследование структурных и магниторезистивных свойств полученных наноструктур.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для изготовления образцов сверхрешеток использовалась установка магнетронного напыления MPS-4000-C6 (Ulvac). Напыление проводилось при комнатной температуре подложки, мощности магнетронного испарителя 100 Вт и давлении аргона 0.1 Па. В качестве подложек использовали стекло (Corning) и пластины монокристаллического кремния с оксидным слоем SiO2. Скорости нанесения металлов Cu, (Ni80Fe20)60Cr40, Co90Fe10 и Cr составляли 67, 34, 28, 30 А/мин, соответственно. Подробное описание методики напыления можно найти в работах [4, 6].
Структурные исследования проводили при комнатной температуре на модернизированном ди-фрактометре ДРОН-3М с использованием CoKa излучения и Si монохроматора на первичном пуч-
ке, а также на дифрактометре Empyrean (PANalyti-cal) с использованием CuKa-излучения.
Сопротивление образцов при комнатной температуре измерялось 4-х контактным методом на постоянном токе. Вектор напряженности магнитного поля и ток были направлены в плоскости слоев пленки взаимно перпендикулярно. Изменение магнитосопротивления (МС) от напряженности магнитного поля определялось как AR/R(H) = = [(R(H) - Rs)/Rs]100%, где R - сопротивление в поле магнитного насыщения. В данной работе для характеризации гистерезиса магнитосопротивле-ния использовалось значение магнитного поля Hmax, при котором наблюдается максимум на зависимости AR/R(H).
Для исследования МС при различных температурах в интервале 83-373 K использовали установку на базе электромагнита фирмы Bruker, про-качного криостата, а также температурного контроллера LakeShore 336.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Общей формулой приготовленных сверхрешеток является: подложка//PyCr(tPyCr)/[CoFe(tCoFe)/ Cu(tCu)]n/Cr(20), где n — число повторений пары слоев CoFe/Cu. Номинальная толщина слоя tM из материала (М) рассчитана по времени напыления материала с учетом экспериментально определенной скорости его осаждения. Толщины слоев приведены в ангстремах. Для оптимизации маг-ниторезистивных характеристик варьировались толщины слоев каждого материала в определенной последовательности.
Известно, что в обменно-связанных сверхрешетках величина ГМР-эффекта изменяется осциллирующим образом при изменении толщины немагнитной прослойки [1, 14]. Для сверхрешеток CoFe/Cu наибольшие значения МС наблюдаются при толщинах слоев меди 9—10 А и 21—23 А, что соответствует первому и второму антиферромагнитному максимуму РККИ взаимодействия слоев CoFe через прослойку Cu [5, 14]. Для сверхрешеток с толщинами слоев Cu из двух указанных характерных областей использовалась различная последовательность оптимизации ГМР-эффекта. Для образцов с более толстыми слоями Cu последовательно варьировались толщины слоев сначала Cu, потом CoFe и затем PyCr. Для образцов с тонкими слоями меди оптимальная толщина буферного слоя tPyCr = 50 А оставалась фиксированной, при этом последовательно варьировались толщины слоев Cu и CoFe.
Сначала приведем результаты для сверхрешеток PyCr(tPyCr)/[CoFe(14)/Cu(22)]8/Cr(20). На рис. 1 показана типичная зависимость МС от магнитного поля, измеренная для сверхрешетки с буферным слоем PyCr толщиной 50 А.
24
^ 16 <
8 -
800
400
0
Н, Э
400
800
Рис. 1. Зависимость АЯ/Я(Н) сверхрешетки: стек-ло//РуСг(50)/[СоРе(14)/Си(22)]8/Сг(20). Измерения выполнены при комнатной температуре.
<
25 -
20
15 -
10
5 -
50 ^ 40
Э
Ч 30 Ц 1 ¡Ц
4 20 10
50
100
150
иРуСп А
Рис. 2. Зависимость ГМР эффекта (АЯ/Я)тзх и поля Нтах от толщины буферного слоя для образцов: стек-ло//РуСг(ГруСг)/[СоРе(14)/Си(22)]8/Сг(20).
(111)
Си Ка
\\ // (200)
(222)
1
40
60 80 2©, град
100
Рис. 3. Дифрактограммы для двух сверхрешеток: стек-ло//РуСг(ГруСг)/[СоРе(14)/Си(22)]8/Сг(20) с ^г = = 50 А (1) и ГРуСг = 70 А (2).
Видно, что основное изменение сопротивления для образцов с иСи = 22 А происходит в магнитном поле напряженностью до 400 Э. На рисунке также показано поле Нтах, соответствующее максимуму на зависимости ДЯ/Я(Н). Величина Нтах для каждого образца близка к значению коэрцитивной силы Нс, полученной из петли магнитного гистерезиса, и поэтому может служить количественной характеристикой гистерезиса. Зависимость Нтах от толщины буферного слоя ?РуСг имеет немонотонный характер (рис. 2). При увеличении толщины буферного слоя вплоть до ?РуСг = 30 А поле Нтах имеет минимальные значения и составляет 11—13 Э, в то время как величина ГМР эффекта возрастает
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.