^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.74232:539.216.2:537.622
СТЕПЕНЬ СОВЕРШЕНСТВА ТЕКСТУРЫ <111) И ГИСТЕРЕЗИС МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ В СПИНОВЫХ КЛАПАНАХ НА ОСНОВЕ MnIr
© 2013 г. М. А. Миляев, Л. И. Наумова, В. В. Проглядо, Т. П. Криницина, Н. С. Банникова, А. М. Бурханов, В. В. Устинов
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, С. Ковалевской, 18
e-mail: milyaev@imp.uran.ru Поступила в редакцию 16.10.2012 г.
Магнетронным напылением на постоянном токе были приготовлены спиновые клапаны на основе антиферромагнетика Mn75Ir25 с композитным свободным слоем Ni80Fe20/Co90Fei0 и различными толщинами магнитных и немагнитных слоев. Методами рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования микроструктуры и текстуры. Полевые зависимости магнитосопротивления измерены для образцов с различной степенью совершенства аксиальной текстуры (111), от ярко выраженной — с углом рассеяния 3.35°, до почти отсутствующей — с углом рассеяния 19.3°. Обнаружено, что ширина низкополевой петли гистерезиса магнитосопротивления монотонно возрастает с увеличением среднего угла рассеяния текстуры от образца к образцу. Интерпретация полученных результатов дана с учетом зависимости ширины петли гистерезиса от взаимной ориентации внешнего магнитного поля и осей легкого намагничивания отдельных кристаллитов текстуриро-ванной пленки.
Ключевые слова: спиновый клапан, многослойные наноструктуры, гигантский магниторезистивный эффект, магнетронное напыление, гистерезис, Mn75Ir25, текстура (111).
DOI: 10.7868/S0015323013050057
ВВЕДЕНИЕ
Простейшая наноструктура "спиновый клапан" состоит из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитным слоем, причем один из ферромагнитных слоев, называемый пиннинго-ванным, соседствует с антиферромагнитным слоем. Наличие обменного взаимодействия между пиннингованным слоем и антиферромагнетиком приводит к появлению обменного сдвига петли гистерезиса данного ферромагнитного слоя. Второй ферромагнитный слой, называемый "свободным", перемагничивается в относительно слабом магнитном поле. В интервале магнитных полей между двумя указанными значениями поля, соответствующими перемагничиванию свободного и пиннингованного слоев, реализуется антипараллельное упорядочение намагниченностей слоев. При изменении напряженности магнитного поля происходит смена антипараллельного упорядочения намагниченностей слоев на параллельное, что приводит к резкому изменению сопротивления спинового клапана. Для практического использования наиболее важным свойством спиновых клапанов является характер изменения их сопротивления в области малых магнитных полей, в которой происходит перемагничивание свобод-
ного слоя. Помимо величины изменения сопротивления и магниторезистивной чувствительности важным параметром является также ширина низкополевой петли гистерезиса магнитосопро-тивления. Для данного класса магнитных наноструктур наблюдается корреляция между полевыми зависимостями намагниченности и магнитосо-противления. Так как ширина петли гистерезиса магнитосопротивления равна соответствующей ширине петли магнитного гистерезиса, то в дальнейшем будет обсуждаться ширина петли гистерезиса без указания, относится данная петля к магнитным или магниторезистивным свойствам.
Малая ширина низкополевой петли гистерезиса (малый гистерезис) необходима для многих применений спиновых клапанов. Например, при их использовании в датчиках тока или датчиках магнитного поля безгистерезисная полевая зависимость магнитосопротивления обеспечивает однозначное соответствие между сопротивлением датчиков и напряженностью магнитного поля, что значительно увеличивает точность измерений физических величин. Поиск способов уменьшения гистерезиса продолжается с первых работ по спиновым клапанам [1] и до настоящего времени [2]. Опыт изготовления различных спиновых кла-
панов, представленный во множестве публикаций [3—7], указывает на то, что формирование аксиальной текстуры (111) является необходимым условием для приготовления клапанов с малым гистерезисом. Применяются различные способы формирования текстуры (111), включающие: выбор толщины и материала (Та, NiFeCr) буферного слоя [8, 9]; использование композитного свободного слоя, содержащего дополнительный слой из магнитомягкого материала (NiFe) [1]; выбор оптимальных толщин слоев магнитных и немагнитных материалов [2]; использование ионного травления для модификации свойств защитного верхнего слоя [10]; использование многослойной периодической структуры в качестве свободного слоя [3]. Объяснение корреляции между наличием текстуры (111) и малой величиной гистерезиса в слое NiFe, напыленном на танталовый буферный слой, приведено в [11]. Та же интерпретация использована в [12] для клапанов, полученных ионно-лучевым осаждением. Авторы [11, 12] связывают наличие малого гистерезиса с отсутствием магнитной анизотропии в плоскостях (111), так как в этом случае разориентация отдельных кристаллитов в текстурированной поликристаллической пленке не приводит к локальным флук-туациям магнитной анизотропии.
Настоящая работа посвящена выяснению количественной зависимости ширины низкополевой петли гистерезиса от степени совершенства текстуры (111) в спиновых клапанах на основе [NiFe/CoFe]/Cu/CoFe с верхним расположением антиферромагнетика MnIr.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Спиновые клапаны композиции (Ta или (Ni8oFe2o)6oCr4o)/[Ni8oFe2o/Co9oFew]/Cu/Co9oFew/ Mn75Ir25/Ta были приготовлены на подложках из
Al2O3 (1012) и стекла (Corning) методом магне-тронного напыления на постоянном токе с помощью установки MPS-4000-C6 (Ulvac). Напыление наноструктур проводили в магнитном поле 110 Э, при комнатной температуре подложки, фиксированном давлении аргона 0.1 Па и мощности магнетронов 100 ватт. Базовое давление остаточных газов в камере напыления было Р = 6 х 10-7 Па. Перед осаждением металлических слоев поверхность подложки очищалась методом обратного магне-тронного распыления с использованием магнетрона на переменном токе. Определение скорости осаждения каждого материала производилось с помощью оптического профилометра Zygo NewView 7300 по известному времени напыления и измеренной на профилометре высоте "ступеньки" (подробнее см. [13]).
Исследование структурных характеристик образцов проводилось методами просвечиваю-
щей электронной микроскопии на микроскопе JEM-200CX и рентгеновской дифракции на модернизированном дифрактометре ДРОН-3М с использованием CoKa излучения и Si монохро-матора на первичном пучке. Степень совершенства текстуры оценивалась по измерениям угла рассеяния текстуры (у) при помощи метода "кривых качания" (метод 9) [14]. Величина у является средним углом отклонения ориентировки части кристаллитов от преимущественной ориентации и экспериментально определяется как полная ширина кривой качания на полувысоте. Ввиду близких значений параметров решетки используемых материалов (Ni80Fe20, Cu, Co90Fe10), на дифрактограммах наблюдался единый пик (111). Для получения кривой качания счетчик дифрактометра устанавливался в положение брегговского угла 29Б для плоскостей (111) NiFe/CoFe/Cu, параллельных поверхности пленки. Далее при неподвижном счетчике образец поворачивался вокруг вертикальной оси гониометра, выводя в отражающее положение те плоскости {111}, которые лежат наклонно к поверхности пленки.
Измерения намагниченности выполнены на вибрационном магнитометре. Сопротивление образцов измерялось на постоянном токе стандартным четырехконтактным методом при протекании тока в плоскости слоев. Положительное направление вектора напряженности магнитного поля при измерении магнитосопротивления было противоположно направлению магнитного поля, используемого при напылении спиновых клапанов.
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 магнитосо-
противления использовали величину HC — полную ширину на полувысоте петли гистерезиса магнито-сопротивления, соответствующей перемагничива-нию свободного слоя.
Структурные, магнитные и магниторезистив-ные исследования выполнены при комнатной температуре.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для выявления количественной связи между степенью совершенства текстуры (111) и шириной
петли гистерезиса HC была приготовлена серия спиновых клапанов стекло/(Та или NiFeCr)/ [NiFe/CoFe]/Cu/CoFe/MnIr/Ta, из которой для дальнейших исследований были выбраны восемь образцов наноструктур, формулы которых приведены в таблице. В формулах образцов толщины слоев указаны в ангстремах. Выбор
Формулы исследованных наноструктур. Толщины слоев указаны в ангстремах. В колонках указаны: (ДК/^)тах — максимальная величина магнитосопротивления, Нп — поле сдвига петли гистерезиса свободного слоя, у — угол рассеяния текстуры
№ Формула наноструктуры (ДВД)тах, % Нп, Э У, град
1 Та(50)/№Ре(30)/СоРе(20)/Си(22)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 10.6 12.0 3.35
2 Та(20)/№Ре(30)/СоРе(15)/Си(22)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 10.7 16.6 3.65
3 Та(20)/№Ре(30)/СоРе(15)/Си(20)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 7.3 52.6 4.10
4 Та(20)/№Ре(35)/СоРе(10)/Си(24)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 9.4 14.5 4.70
5 №РеСг(30)/№Ре(30)/СоРе(15)/Си(22)/СоРе(20)/Мп1г(50)/Та(20) 9.7 6.0 4.85
6 Та(20)/№Ре(30)/СоРе(15)/Си(24)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 11.6 -0.9 5.45
7 Та(20)/№Ре(25)/СоРе(20)/Си(24)/СоРе(25)/Мп1г(50)/Та(20) 11.6 -1.3 6.30
8 Та(50)/№Ре(20)/СоРе(55)/Си(24)/СоРе(55)/Мп1г(150)/Та(20) 5.0 4.5 19.3
образцов сделан таким образом, чтобы был охвачен максимально широкий диапазон изменения угла рассеяния текстуры у. Образцы пронумерованы и расположены в таблице в порядке увеличения у. В таблицу также включены значения максимального магнитосопротивле-ния (ДЛ/Л^)тах и значения магнитного поля Нп, характеризующие взаимодействие свободного и пиннингованного слоев. Поле Нп является полем сдвига петли гистерезиса свободного слоя относительно значения Н = 0. Важно отметить, что у выбранных образцов нет систематического изменения толщины отдельных слоев и величины максимального магнитосопротивл
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.