ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 11, с. 1129-1135
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.621.2:537.623
ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ СПИНОВЫХ КЛАПАНОВ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО АНТИФЕРРОМАГНЕТИКА
И СПЛАВА Fe50Mn50
© 2015 г. М. А. Миляев*, Л. И. Наумова*, В. В. Проглядо*, Т. А. Чернышова*, Д. В. Благодатков*, И. Ю. Каменский* **, В. В. Устинов*
*Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: milyaev@imp.uran.ru Поступила в редакцию 09.06.2015 г.
Методом магнетронного напыления приготовлены спиновые клапаны композиции Ta/Ni80Fe20/ Co90Fei0/Cu/Co90Fei0/Ru/Co90Fei0/Fe50Mn50/Ta. Исследованы изменения функциональных характеристик спиновых клапанов в температурном интервале от —180 до +160°С. Показано, что максимальная температура, при которой сохраняются функциональные характеристики спинового клапана, зависит от соотношения толщин слоев Co90Fei0, разделенных прослойкой Ru.
Ключевые слова: спиновый клапан, гигантский магниторезистивный эффект, температура блокировки, синтетический антиферромагнетик, температурная стабильность.
Б01: 10.7868/80015323015110108
ВВЕДЕНИЕ
Обычный спиновый клапан состоит из разделенных немагнитной прослойкой двух ферромагнитных слоев, один из которых, называемый пиннингованным, связан обменным взаимодействием с прилегающим к нему слоем антиферромагнетика. Сдвиг петли гистерезиса перемагни-чивания пиннингованного слоя из симметричного по отношению к Н = 0 положения обусловлен взаимодействием с антиферромагнетиком и характеризуется полем обменного взаимодействия Нех. Второй ферромагнитный слой называется свободным, и его перемагничивание происходит в слабых магнитных полях.
Важными для практического использования спиновых клапанов функциональными параметрами являются: величина магниторезистивного эффекта, чувствительность к магнитному полю, гистерезис, поле обменного сдвига и температура блокировки. Последний параметр в значительной степени зависит от типа антиферромагнетика, а именно от величины энергии однонаправленной анизотропии, формируемой в интерфейсной области между ферромагнетиком (ФМ) и антиферромагнетиком (АФМ) в процессе напыления наноструктуры или с помощью термомагнитной обработки.
Для повышения температурной стабильности спиновых клапанов используют антиферромагнетики с температурой Нееля, значительно превышающей комнатную температуру. Наиболее часто используемыми являются сплавы: БеМп, Мп1г, Р1РёМп, Р1Мп, №Мп, СгР1Мп [1-3]. Повышение коррозионной стойкости в ряде случаев достигается с помощью АФМ на основе оксидов: N10, а-Ре203, СоБе204, и других [4-6]. Для каждого АФМ-материала и конкретного типа спинового клапана отрабатывается, как правило, своя технология приготовления магниточувствитель-ного материала, нацеленная на получение оптимального сочетания магниторезистивных характеристик и максимально возможной температурной стабильности. Важно отметить, что необходимость повышения температурной стабильности обусловлена как требованиями к эксплуатационным характеристикам изделий на базе спиновых клапанов, так и ограничениями, связанными с технологическим циклом изготовления сенсорных элементов методами литографии. В последнем случае ограничения связаны с тем, что в процессе литографических операций используются температуры 200-300°С. Если температура блокировки для АФМ будет ниже используемых технологических температур, то в процессе изготовления сенсоров анизотропные свойства спинового клапана изменятся,
что приведет к ухудшению функциональных характеристик конечных изделий. Однако это не означает, что спиновые клапаны на основе АФМ с низкой температурой блокировки (Ть < 200°С) не представляют интереса для практических приложений. После проведения литографических операций исходные анизотропные свойства в изготовленных сенсорных элементах могут быть восстановлены с помощью специальной термомагнитной обработки. А именно, с помощью термомагнитной обработки можно сформировать однонаправленную анизотропию в пиннингован-ном слое. При этом целенаправленное изменение угла между осью однонаправленной анизотропии и осью легкого намагничивания свободного слоя позволяет управлять величиной магнитосопро-тивления (МС) и гистерезисными характеристиками спиновых клапанов [7, 9].
Одним из параметров, отражающих температурные изменения магниторезистивных свойств спиновых клапанов, является поле обменного сдвига Нех. При повышении температуры Нех уменьшается. Минимальную температуру, при которой обменный сдвиг исчезает (Нех = 0), называют температурой блокировки (Ть). При Т = Ть полевая зависимость МС приобретает симметричную по отношению к Н = 0 форму. Оба параметра Ть и Нех зависят от типа АФМ материала и его толщины. Однако при Т < Ть поле Нех в значительной степени зависит также от последовательности расположения магнитных и немагнитных слоев в спиновом клапане. В частности, поле Нех можно в несколько раз увеличить при использовании синтетического антиферромагнетика (САФМ) [10]. В спиновом клапане с синтетическим антиферромагнетиком пиннингованный слой заменяется трехслойной структурой, в которой два ферромагнитных слоя разделены прослойкой рутения. Толщина прослойки рутения 7—10 А соответствует первому антиферромагнитному максимуму РККИ взаимодействия. Комбинации САФМ с обычными антиферромагнетиками активно используются в различных типах спиновых клапанов. Важно отметить, что для данной цели в качестве обычных АФМ наиболее часто выступают такие материалы, как Мп1г, Р1Мп, N10 и другие [11—13]. Что касается сплава Бе50Мп50, то имеется весьма ограниченное число опубликованных работ, в которых исследуются свойства спиновых клапанов на основе данного АФМ сплава и синтетического антиферромагнетика. Например, Бе50Мп50 использовался вместе с Со/Яи/Со в работе [14], где было получено улучшение температурной стабильности спинового клапана по отношению к аналогичному спиновому клапану, но без САФМ. Исследование межслойного взаимодействия в спи-
новых клапанах на основе Fe50Mn50 с различной толщиной ферромагнитных слоев, входящих в САФМ = CoFe/Ru/CoFe, проведены в [15]. Условия реализации спин-флоп перехода в САФМ = = Co84Fe16(t2)/Ru(7 Á)/Co84Fe16(í1) в зависимости от соотношения толщин ферромагнитных слоев t1 и t2 установлены в [16]. Отметим, что указанные исследования [15, 16] выполнены при комнатной температуре и на спиновых клапанах с фиксированной толщиной слоя Fe50Mn50.
Цель настоящей работы — исследование температурной стабильности спиновых клапанов с САФМ = Co90Fe10(t2)/Ru(8 Á)/Co90Fe10(t1) на основе антиферромагнетика Fe50Mn50 и сравнение температурных характеристик спиновых клапанов с различным соотношением толщин t1 и t2.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Спиновые клапаны с синтетическим антиферромагнетиком композиции Ta/Ni80Fe20/Co90Fe10/ Cu/Co90Fe10/Ru/Co90Fe10/Fe50Mn50/Ta и без САФМ -Ta/Ni80Fe20/Co90Fe10/Cu/Co90Fe10/Fe50Mn50/Ta были приготовлены при помощи магнетронного напыления на подложках из стекла (Corning). Далее в тексте номинальные толщины отдельных слоев указаны в ангстремах. Осаждение слоев проводилось в магнитном поле 110 Э, приложенном в плоскости пленки. После напыления образцы отжигали в вакууме в течение 10 минут при температуре 180°С и затем охлаждали в магнитном поле 11.6 кЭ, направленном вдоль оси легкого намагничивания. Данная операция необходима для формирования параллельного взаимного расположения оси легкого намагничивания в свободном слое и оси однонаправленной анизотропии пиннинго-ванного слоя [17, 18]. Образцы для измерения сопротивления были вырезаны в форме прямоугольников размерами (2 х 8) мм. Сопротивление измерялось на постоянном токе четырехконтактным методом при протекании тока в плоскости слоев. Магнитосопротивление определялось как ÁR/Rs = [(R(H) - Rs)/Rs] х 100% , где R(H) - сопротивление образца в магнитном поле, R — сопротивление в поле магнитного насыщения.
Для проведения температурных исследований использовалась установка на базе электромагнита фирмы Bruker, прокачного криостата, а также температурного контроллера LakeShore 336. Полевые зависимости магнитосопротивления были измерены при различных фиксированных температурах в интервале от —180 до 160°С. Температура блокировки определялась как температура, при которой исчезает обменный сдвиг петли гистерезиса пиннингованного слоя.
8 -
6 -
4
2 -
500
1000
1500
Н, Э
Рис. 1. Полевая зависимость магнитосопротивления спинового клапана Та(50)/№Ре(17)/СоРе(8)/Си(26)/ СоРе(30)/Яи(8)/СоРе(15)/РеМп(100)/Та(20). На вставке показана зависимость АЕ/Я&(Н) в диапазоне от —6 до 6 кЭ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Зависимость обменного сдвига от толщины слоев ЕвЫп и СоЕв в САФМ
Исследования, направленные на получение структуры, сочетающей высокий магниторези-стивный эффект, малый гистерезис магнитосо-противления и наибольший обменный сдвиг Нех, были выполнены при комнатной температуре.
В качестве исходной была использована композиция спинового клапана: Та(50)/ №Ре(17)/СоРе(8)/Си(26)/СоРе(30)/Яи(8)/СоРе(15)/ РеМп(100)/Та(20), близкая к описанной в работе [16]. На рис. 1 показана полевая зависимость маг-нитосопротивления и отмечены поля сдвига Н1 и Н2. Поле обменного сдвига и ширина петли гистерезиса для пиннингованного слоя определялись как Нех = (Н + Н2)/2 и АН = Н2 — Нъ соответственно. Аналогичным образом определялись сдвиг (Нт) и ширина (Нс) низкополевой петли гистерезиса свободного слоя. На вставке рисунка показана полевая зависимость магнитосопротив-ления в интервале полей от положительного до отрицательного поля насыщения.
При уменьшении Н от положительного поля насыщения увеличение магнитосопротивления, согласно [19], происходит в результате поворота магнитных моментов двух обменно-связанных через прослойку Яи ферромагнитных слоев ФМ1 и ФМ2. Слой ФМ1 соседствует с антиферромагнетиком. Таким образом, эффективный сдвиг вы-
сокополевой петли перемагничивания определяется результатом конкуренции Зеемановс
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.