^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.633
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ БЕЗГИСТЕРЕЗИСНЫЙ СПИНОВЫЙ КЛАПАН С КОМПОЗИТНЫМ СВОБОДНЫМ СЛОЕМ
© 2012 г. В. В. Устинов, М. А. Миляев, Л. И. Наумова, В. В. Проглядо, Н. С. Банникова, Т. П. Криницина
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 06.09.2011 г.
Методом магнетронного напыления на постоянном токе приготовлены металлические наноструктуры типа "спиновый клапан" (81, А1203, стекло)/Та/[№Ре/СоРе]/Си/СоРе/(РеМп, Мп1г)/Та с композитным свободным слоем №80Рг20/Со90Ре10. Предложен трехэтапный способ уменьшения гистерезиса "свободного слоя". Исследована зависимость величины гигантского магнитосопротивления и гистерезиса от угла между направлением оси легкого намагничивания свободного слоя и направлением приложения магнитного поля в плоскости слоев. Показано, что в исследованных спиновых клапанах гистерезис может быть уменьшен до нескольких десятых долей эрстеда при величине магнитосопротивления свыше 8%. В случае спинового клапана с антиферромагнетиком Ре50Мп50 на участке безгистерезисного изменения магнитосопротивления магниторезистивная чувствительность составила 1%/Э, в то время как максимальная чувствительность при наличии гистерезиса превысила 6%/Э. Более высокая чувствительность 2.5%/Э при величине гистерезиса свободного слоя 0.6 Э получена для спиновых клапанов на основе антиферромагнетика Мп751г25. Для них максимальная величина магнитосопротивления составила 11.6%.
Ключевые слова: спиновый клапан, многослойные наноструктуры, эффект гигантского магнитосопротивления, магнетронное напыление, малый гистерезис свободного слоя, Ре50Мп50, Мп751г25.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее простая наноструктура, реализующая функции спинового клапана, состоит из двух, разделенных немагнитной (НМ) прослойкой, ферромагнитных (ФМ) слоев и слоя антиферромагнетика (АФМ), соседствующего с одним из ФМ-слоев. За счет однонаправленной анизотропии, возникающей на границе между ферромагнетиком и антиферромагнетиком, один ФМ-слой оказывается "закрепленным" или пиннингован-ным и его перемагничивание происходит в относительно высоком магнитном поле — сотни эрстед. Второй ФМ-слой независимо от пиннинго-ванного слоя перемагничивается в относительно слабом магнитном поле (единицы и десятки эрстед), и поэтому носит название "свободный слой". Перемагничивание каждого слоя характеризуется своей петлей магнитного гистерезиса. Основными магнитными состояниями, реализуемыми в спиновом клапане, являются состояния с ФМ- и АФМ-упорядочением магнитных моментов соседних ФМ-слоев. Если длина свободного пробега электронов проводимости сравнима с толщиной трехслойной структуры ФМ/НМ/ФМ, то за счет спин-зависимого рассеяния электронов проводимости каждое из двух магнитных состояний будет обладать своим значением электросопротивления. Скачкообразное изменение сопро-
тивления, возникающее при смене магнитного состояния спинового клапана под воздействием малого магнитного поля, является главной чертой данного типа наноструктур, широко используемых в различных технических приложениях.
С первых работ Э1епу [1, 2], в которых исследовались свойства спиновых клапанов ФМ/НМ/ФМ/Ре50Мп50 где ФМ = N1, Со, №Ре и НМ = Си, А§, Аи, до настоящего времени было синтезировано и подробно исследовано несколько десятков типов спиновых клапанов с использованием различных магнитных и немагнитных материалов [3, 4]. При этом основное внимание уделялось таким характеристикам как величина магнитосопротивления (МС), величина сдвига петли гистерезиса (Ыа8-эффект) и термостабильность. Для некоторых типов металлических спиновых клапанов были получены большие значения МС (15—28)% [5—8]. В спин-туннельных наноструктурах, в которых реализуется спин-зависимое туннелирование электронов через диэлектрическую прослойку, величина МС может достигать несколько сотен [9, 10] и даже тысячу процентов [11]. Несмотря на большую величину МС многие синтезированные спиновые клапаны из-за большого гистерезиса полевой зависимости магнитосопротивления, возникающего при пере-магничивании свободного слоя, не могут быть
использованы в таких приложениях как, например, измерение напряженности магнитного поля и величины тока. Для этих целей необходимо иметь однозначную зависимость между величиной магнитного поля и сопротивлением спинового клапана. В связи с этим изучение способов уменьшения гистерезиса, сопровождающего пе-ремагничивание свободного слоя, является актуальной задачей.
Несколько способов уменьшения гистерезиса свободного слоя было предложено в первые годы изучения спиновых клапанов [12—14]. В частности, было установлено, что на величину гистерезиса существенно влияет взаимная ориентация трех направлений в плоскости слоев: направления пиннинга (НП), задаваемого направлением магнитного поля во время напыления антиферромагнетика и пиннингованного ФМ-слоя; направления оси легкого намагничивания свободного слоя ("легкая ось" — ЛО) и направления приложения магнитного поля (МП) при измерении магнитосопротивления. Ранее были подробно исследованы три случая, при которых наблюдается малый гистерезис свободного слоя:
а) МП || НП ± ЛО (скрещенная конфигурация);
б) МП ± ЛО и направление пиннинга отклоняется на малый угол от направления магнитного поля (почти скрещенная конфигурация); в) МП || ЛО и направление пиннинга отклонено на небольшой угол от направления легкой оси (почти параллельная конфигурация). Сравнение экспериментальных результатов для указанных выше трех конфигураций приведено, например, в [4]. Было обнаружено [15], что наибольшей магниторези-стивной чувствительностью (%/Э) при минимальном гистерезисе свободного слоя обладает спиновый клапан, соответствующий почти параллельной конфигурации. Как показали магнитооптические исследования [16], физической причиной, ответственной за уменьшение гистерезиса свободного слоя в зависимости от геометрических факторов, является смена механизма перемагничивания данного слоя. Перемагничи-вание за счет смещения доменных границ в кол-линеарной конфигурации (МП || ЛО || НП) меняется на перемагничивание преимущественно за счет обратимых процессов вращения намагниченности в случае, например, отклонения направления пиннинга от направления оси легкого намагничивания на некоторый угол.
Следует отметить, что изучение обсуждаемых выше способов уменьшения гистерезиса свободного слоя проведено на спиновых клапанах, изготовленных на основе пермаллоя и меди и имеющих величину МС всего несколько процентов. Сочетание большого магнитосопротивления и малого гистерезиса получено, например, в работе [17] при решении задач по созданию считывающих головок жестких дисков с использованием в
качестве магниточувствительного элемента спинового клапана. В указанной работе было установлено, что напыление композитного свободного слоя, состоящего из пермаллоя и сплава Co90Fe10, приводит к формированию в слоях спинового клапана кристаллографической текстуры типа (111), которая способствует уменьшению гистерезиса. Для оптимизированных спиновых клапанов в [17] было получено значение магнитосопротивления 8% при ширине петли гистерезиса свободного слоя 4 Э.
Целью настоящей работы было экспериментально исследовать различные способы уменьшения ширины петли гистерезиса свободного слоя (AHfree) до величин в десятые доли эрстеда для спиновых клапанов, обладающих относительно большой (свыше 8%) величиной МС. Для этой цели были приготовлены близкие к рассмотренным в работе [17] спиновые клапаны с использованием двух антиферромагнетиков (Fe50Mn50, Mn75Ir25). Проведен поиск оптимальных толщин слоев магнитных и немагнитных материалов, при которых достигается наибольшая величина МС при минимальном гистерезисе свободного слоя. Выполнены исследования структурных и магнито-резистивных свойств приготовленных образцов. Отдельное внимание уделено изучению зависимости величины МС и гистерезиса в геометрии, когда ось легкого намагничивания свободного слоя параллельна направлению пиннинга, а магнитное поле направлено в плоскости слоев под различными углами к направлению легкой оси. Данная геометрия эксперимента отличается от анализируемых ранее конфигураций.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Спиновые клапаны
Ta/[NiFe/CoFe]/Cu/CoFe/(FeMn, MnIr)/Ta были приготовлены методом магнетронного напыления на постоянном токе с помощью напыли-тельнои установки MPS-4000-C6 (Ulvac) на подложках из монокристаллического кремния (100)Si,
(101 2)Al2O3 и стекла (Corning). Наноструктуры напылялись 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 напылением металлических слоев поверхность подложки очищалась методом обратного магнетронного распыления с использованием магнетрона на переменном токе. Определение скорости напыления каждого материала производилась с помощью оптического профилометра Zygo New View 7300 по известному времени напыления и измеренной на профило-метре высоте "ступеньки" [18].
Исследования структурных характеристик образцов проводились методами просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе JEM-200СХ и рентгеновской дифракции на модернизированном дифрактометре ДРОН-3М с использованием Со^а-излучения и 81-монохроматора на первичном пучке. Измерения полевых зависимостей намагниченности выполнены на вибрационном магнитометре. Сопротивление образцов измерялось на постоянном токе стандартным четырехконтактным методом при протекании тока в плоскости слоев. Исследования выполнены при комнатной температуре. Магнитосопротив-ление определялось как ДК/К = [(Я(И) — х
х 100%, где Я(И) — сопротивление образца в магнитном поле, К — сопротивление в поле магнитного насыщения. В зависимости от конкретной задачи исследований, магнитное поле в плоскости слоев было направлено, либо вдоль оси легкого намагничивания свободного слоя и перпендикулярно току, либо образец с фиксированным положением контактов поворачивался в магнитном поле на заданный угол а (рис. 1). При вращении образца легкая ось свободного
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.