ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 4, с. 376-383
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.624
БЕЗГИСТЕРЕЗИСНОЕ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ СПИНОВЫХ КЛАПАНОВ С СИЛЬНЫМ И СЛАБЫМ МЕЖСЛОЙНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ
© 2014 г. Л. И. Наумова, М. А. Миляев, Н. Г. Бебенин, Т. А. Чернышова, В. В. Проглядо, Т. П. Криницина, Н. С. Банникова, В. В. Устинов
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: naumova@imp.uran.ru Поступила в редакцию 03.09.2013 г. в окончательном варианте 24.09.2013 г.
Исследована зависимость гистерезиса магнитосопротивления от угла между приложенным в плоскости слоев магнитным полем и осью легкого намагничивания для спиновых клапанов композиции [Ta, (Ni80Fe2o)6oCr40] /Ni80Fe20/Co90Fei0/Cu/Co90Fei0/Mn75Ir25/Ta. В спиновых клапанах с сильным межслойным взаимодействием при малом отклонении магнитного поля от оси легкого намагничивания было обнаружено резкое — до десятых долей эрстеда — сужение петли гистерезиса перемагни-чивания свободного слоя. На основе анализа угловых зависимостей гистерезиса определены критические углы, при которых происходит смена моды перемагничивания. В рамках модели когерентного вращения намагниченности Стонера—Вольфарта дана теоретическая оценка углов, при которых происходит переход к безгистерезисному перемагничиванию для клапанов с сильным межслойным взаимодействием.
Ключевые слова: спиновый клапан, эффект гигантского магнитосопротивления, гистерезис, анизотропия свободного слоя, Mn75Ir25.
DOI: 10.7868/S0015323014040111
ВВЕДЕНИЕ
Планарная наноструктура "спиновый клапан" состоит из двух разделенных немагнитной прослойкой ферромагнитных (ФМ) слоев. Один из них, называемый пиннингованным, связан обменным взаимодействием с прилегающим к нему антиферромагнитным (АФМ) слоем. Формирующаяся при напылении в магнитном поле на границе ФМ/АФМ однонаправленная магнитная анизотропия приводит к тому, что пиннингованный ФМ-слой перемагничивается в большем поле, чем второй ФМ-слой, называемый свободным. Конфигурация магнитной анизотропии в спиновом клапане характеризуется двумя основными направлениями: 1) направлением пиннинга (НП), обусловленным обменным взаимодействием на границе между АФМ- и ФМ-слоями и 2) направлением оси легкого намагничивания свободного слоя (легкая ось = ЛО), характеризующим одноосную магнитную анизотропию.
Перемагничивание свободного и пиннинго-ванного слоев сопровождается гистерезисом намагниченности и, соответственно, гистерезисом магнитосопротивления. Спиновые клапаны с малой шириной низкополевой петли гистерезиса востребованы в качестве магнито-чувствительно-го элемента в измерительных устройствах микроэлектроники.
Гистерезис магнитосопротивления в спиновых клапанах зависит от взаимного расположения НП, ЛО и приложенного магнитного поля (МП), а также от анизотропии свободного слоя и от межс-лойного взаимодействия [1]. Согласно [2—5], меж-слойное взаимодействие в спиновых клапанах является результатом конкуренции трех видов взаимодействия при доминировании самого сильного из них: 1) дипольного (Неелевского) взаимодействия, зависящего от степени шероховатости интерфейсов; 2) РККИ обменного взаимодействия, периодически изменяющегося в зависимости от толщины немагнитной прослойки; 3) ферромагнитного — в местах нарушения сплошности немагнитного слоя. Неелевская модель описывает магнитостатическое взаимодействие, появляющееся из-за шероховатости магнитных слоев. Шероховатость слоев приводит к формированию магнитных полюсов в пленках ферромагнетика вблизи границ с немагнитным слоем. Если при этом энергия дипольного взаимодействия превосходит энергию осциллирующего обменного взаимодействия, то результирующее межс-лойное взаимодействие будет ферромагнитного типа. При наличии гладких интерфейсов энергия осциллирующего РККИ взаимодействия может превалировать. В этом случае при некоторой толщине немагнитной прослойки результирующее межслойное взаимодействие будет аниферромаг-нитного типа. Межслойное взаимодействие, кон-
фигурация магнитной анизотропии, поле одноосной анизотропии и направление магнитного поля рассматриваются в [6] как факторы, определяющие реализацию того или иного механизма пе-ремагничивания. Авторами на основе вычислений в рамках модели когерентного вращения намагниченности Стонера— Вольфарта построена магнитно-фазовая диаграмма, показывающая области реализации разных мод перемагничивания. Для характеристики межслойного взаимодействия используется сдвиг петли перемагничивания свободного слоя Н1. В зависимости от поля одноосной анизотропии НА и угла 9 отклонения МП от НП, реализуется одна из трех мод перемагничивания, обозначенных как А, В и С. Моды А и В в рамках используемой модели интерпретируются как "вращение—прыжок—вращение", а мода С как чистое вращение вектора намагниченности. В [7] на основе результатов визуализации доменной структуры показано, что моды А и В являются комбинацией когерентного вращения намагниченности и движения доменных границ. В случае моды С домены не формируются, и перемагничи-вание происходит за счет когерентного вращения намагниченности. Таким образом, только мода С соответствует безгистерезисному перемагничива-нию. В работе [6] магнитно-фазовые диаграммы построены для случаев коллинеарной (ЛО || НП) и неколлинеарной (ЛО отклонена от НП на ненулевой угол) конфигурации магнитной анизотропии. Если МП || ЛО, то при коллинеарной конфигурации анизотропии безгистерезисное перемагни-чивание невозможно при любом соотношении HJ и НА. В случае же скрещенной (ЛО ± НП) конфигурации анизотропии перемагничивание будет безгистерезисным при \И^ИЛ\ > 1, вне зависимости от направления МП.
Известно [8], что ширина низкополевой петли гистерезиса магнитосопротивления уменьшается с увеличением угла отклонения приложенного магнитного поля от основных направлений, характеризующих конфигурацию магнитной анизотропии в спиновом клапане: ЛО и НП. В предыдущих публикациях [9, 10] мы рассматривали зависимость ширины низкополевой петли гистерезиса от угла а между направлением магнитного поля и осью легкого намагничивания для спиновых клапанов с разной шириной петли гистерезиса, измеренной в конфигурации МП || ЛО || НП. Для спиновых клапанов с малой (<10 Э) шириной петли был обнаружен резкий переход к безгистерезисному перемагничиванию при малом отклонении МП от ЛО. Исследуемые структуры различались межс-лойным взаимодействием, однако корреляция между характером угловой зависимости ширины петли гистерезиса и величиной HJ систематически не изучалась.
Целью данной работы является исследование изменения гистерезиса магнитосопротивления
при отклонении магнитного поля от оси легкого намагничивания и перехода к безгистерезисному перемагничиванию свободного слоя в спиновых клапанах с различным (сильным и слабым, ферромагнитным и антиферромагнитным) межслой-ным взаимодействием. При помощи полученных данных и магнитно-фазовой диаграммы [6] определены величины углов, при которых происходит смена моды перемагничивания. Для спиновых клапанов с сильным межслойным взаимодействием в рамках модели Стонера—Вольфарта получено выражение, позволяющее оценить угол отклонения магнитного поля от оси легкого намагничивания, при котором перемагничивание становится безгистерезисным.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Спиновые клапаны композиции [Ta, (Ni8oFe2o)6oCr4o]/NiSoFe2o/Co9oFe1o/Cu/Co9oFe1o/ Mn75Ir25/Ta были приготовлены методом магне-тронного напыления при помощи установки MPS-4000-C6 (Ulvac) на подложках из стекла (Corning). Образцы были приготовлены в магнитном поле 110 Э, приложенном в плоскости пленки, при комнатной температуре и фиксированном давлении аргона 0.1 Па. Базовое давление остаточных газов в камере напыления было Р = 6 х 10-7 Па. Определение скорости напыления каждого материала производилась с помощью оптического профилометра Zygo NewView 7300 по специальной процедуре, описанной в [11]. Структурные исследования проводились методами просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе JEM-200CX и рентгеновской дифракции на модернизированном дифрактометре ДРОН-3М с использованием CoKa излучения и Si моно-хроматора на первичном пучке.
Измерения намагниченности выполнены при помощи вибрационного магнитометра. Для определения поля одноосной анизотропии были приготовлены образцы Ta/NiFe/CoFe/Ta, повторяющие буферный слой Ta, композитный свободный слой исследуемых клапанов NiFe/CoFe и защитный слой Ta. Петли магнитного гистерезиса были измерены в магнитном поле, приложенном вдоль оси легкого и вдоль оси трудного намагничивания: МП || ЛО и МП ± ЛО.
Сопротивление спиновых клапанов измерялось на постоянном токе стандартным четырехконтактным методом при протекании тока в плоскости слоев. Магнитосопротивление определялось как AR/RS = [(R(H) — Rs)/Rs] х 100%, где R(H) — сопротивление образца в магнитном поле, Rs — сопротивление в поле магнитного насыщения. Для количественной оценки гистерезиса магнитосопротивления использовали величину Hc — полную ширину на полувысоте петли гистерезиса магнитосопротивления, соответствующей
Композиционные формулы спиновых клапанов, максимальное магнитосопротивление (ЛЛ/Я5 )тах, величины
и нм
№ Композиционные формулы спиновых клапанов (ДЛ/Л)тах, % н, Э \Н/Нл\
1 Та(20)/№Ре(25)/СоРе(20)/Си(24)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 11.7 -4.4 0.2
2 Та(20)/№Ре(30)/СоРе(15)/Си(24)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 11.6 -1.6 ~ 0.2
3 Та(50)/№Ре(30)/СоРе(20)/Си(32)/СоРе(25)/Мп1г(60)/Та(20) 7.3 -0.7 ~ 0.1
4 №РеСг(30)/№Ре(30)/СоРе(20)/Си(20)/СоРе(25)/Мп1г(60)/№РеСг(10) 9.5 7.3 0.9
5 Та(50)/№Рг(30)/СоРг(20)/Си(22)/СоРг(25)/ Мп1г(50)/Та(20) 10.6 10.0 1.3
6 Та(20)/№Ре(30)/СоРе(15)/Си(22)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 10.7 16.5 1.7
7 №РеСг(30)/№Ре(30)/СоРе(20)/Си(18)/СоРе(25)/Мп!г(60)/№РеСг(10) 8.1 31.7 4.0
перемагничиванию свободного слоя. Все исследования выполнены при комнатной температуре. Композиционные формулы приготовленных образцов и их характеристики представлены в таблице. Толщины слоев в ангстремах указаны в круглых скобках.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование микроструктуры методом просвечивающей электронно
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.