Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 7, стр. 710-716

ВВЕДЕНИЕ

Наноструктуры типа спиновый клапан широко используются в качестве магниточувствительных материалов для сенсоров магнитного поля [1–3]. Спиновый клапан [4] представляет собой многослойную наноструктуру, в которой два ферромагнитных слоя разделены немагнитным, причем намагниченность одного из ферромагнитных слоев (пиннингованного) закреплена обменным взаимодействием с соседним слоем антиферромагнитного сплава. В результате этого обменного взаимодействия формируется однонаправленная анизотропия и выделенное направление: ось однонаправленной анизотропии (ООА). Второй ферромагнитный слой называется свободным и перемагничивается в очень слабых полях.

Для использования в качестве магниточувствительного материала в аналоговых устройствах предпочтительны спиновые клапаны, у которых ширина петли гистерезиса перемагничивания свободного слоя (H_с) мала.

Обычно для ослабления гистерезиса в спиновых клапанах формируют взаимно перпендикулярное расположение оси легкого намагничивания (ОЛН) и оси однонаправленной анизотропии. Для изменения направления ООА используют кратковременный отжиг и последующее охлаждение в магнитном поле, приложенном перпендикулярно ОЛН. Отжиг проводят при температуре, превышающей температуру блокировки (T_b). Эта температура близка к температуре Нееля антиферромагнетика. При T > T_b в спиновом клапане исчезает однонаправленная анизотропия, так как энергия теплового движения достаточно велика для разрушения магнитного порядка в антиферромагнетике и обменного взаимодействия на границе ферромагнетик/антиферромагнетик. При последующем охлаждении в магнитном поле ООА формируется вновь. Для спиновых клапанов с синтетическим антиферромагнетиком (САФ) [5, 6], в которых пиннингованный слой заменен обменно-связанной структурой ферромагнетик/ Ru/ферромагнетик, существует и другой способ изменения взаимного расположения ООА и ОЛН [7–9]. При определенной величине приложенного магнитного поля (H_sf) САФ переходит в спин-флоп состояние. При отжиге и последующем охлаждении в поле, близком по величине к H_sf и приложенном вдоль ОЛН, формируется скрещенное взаимное расположение ООА и ОЛН.

В [10] уменьшение величины H_с было получено при использовании составного свободного слоя Ni₈₀Fe₂₀/Co₉₀Fe₁₀.

Для использования спиновых клапанов в сенсорах важно, чтобы сдвиг низкополевой петли гистерезиса (H_j) от H = 0 был мал. Это необходимо для того, чтобы полевая зависимость магнитосопротивления сенсорного элемента пересекала линию, соответствующую H = 0. Такой сенсор чувствителен к очень слабым и переменным магнитным полям. Управление сдвигом можно применять для улучшения линейности передаточной характеристики и стабильности сенсора.

При изготовлении микрообъектов сдвиг низкополевой петли гистерезиса можно существенно снизить, уменьшая ширину микрополоски, однако при этом снижается и магниторезистивная чувствительность [11, 12]. Наиболее распространенными методиками управления сдвигом передаточной характеристики являются использование постоянных магнитов или катушек, напыление дополнительного жесткого магнитного слоя [13, 14]. При этом размеры сенсорного элемента увеличиваются.

Для спинового клапана величина сдвига низкополевой петли гистерезиса H_j определяется характерным полем взаимодействия разделенных прослойкой меди ферромагнитных слоев. Взаимодействие между этими слоями является результатом конкуренции дипольного ферромагнитного, зависящего от шероховатости интерфейсов, и РККИ обменного, периодически изменяющегося с толщиной слоя меди [15]. Обычно шероховатость межслойных границ такова, что доминирует дипольное ферромагнитное взаимодействие. Его энергия экспоненциально уменьшается с увеличением толщины слоя меди t_Cu. Как правило, для уменьшения величины H_j при изготовлении пленок спиновых клапанов увеличивают толщину t_Cu, что сопровождается неизбежным снижением магнитосопротивления.

Если шероховатость межслойных границ мала настолько, что осциллирующее обменное взаимодействие превалирует над дипольным ферромагнитным, то зависимость сдвига H_j от толщины слоя меди имеет осциллирующий характер. В этом случае возможно сочетание малого сдвига низкополевой петли гистерезиса и большой величины магнитосопротивления. Данное исследование направлено на реализацию именно такой возможности.

В настоящей работе для спиновых клапанов на основе ферромагнитного сплава Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ с использованием буферного слоя Ta/(Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀ проведено исследование микроструктуры и особенностей межслойного взаимодействия. Осцилляции межслойного взаимодействия далее используются для управления сдвигом низкополевой петли гистерезиса и создания высокочувствительных сенсорных элементов.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Спиновые клапаны композиции Ta(50)/ (Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀(50)/Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀(35)/Cu(t_Cu)/ Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀(35)/Ru(8)/Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀(30)/Fe₅₀Mn₅₀(100)/ Ta(50) были изготовлены методом магнетронного напыления. Здесь и далее толщины слоев указаны в круглых скобках в ангстремах. Толщину t_Cu варьировали от 11 до 33 Å. В качестве материала ферромагнитных слоев использован сплав Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀. По результатам магнитных измерений пленок толщиной 80 нм, для данного сплава намагниченность на 13% выше, а коэрцитивная сила в 4.5 раза меньше, чем для Co₉₀Fe₁₀, часто используемого в спиновых клапанах. В работе [16] показано, что спиновые клапаны на основе близкого по составу трехкомпонентного сплава обладают слабым гистерезисом и минимальной магнитострикцией. Использование буферного слоя Ta/(Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀ способствует формированию текстуры 〈111〉 в последующих слоях наноструктуры [17, 18] и уменьшению размеров кристаллитов поликристаллической пленки [19]. Последнее желательно для уменьшения шероховатости межслойных границ и уменьшения дипольного ферромагнитного межслойного взаимодействия.

Измерения магнитосопротивления были выполнены на образцах размера 2 × 8 мм и на объектах микронных размеров, имеющих форму меандра. Микрообъекты изготавливали из пленки спинового клапана при помощи электронно-лучевой литографии с использованием растрового электронного микроскопа Inspect F (FEI). Ионное травление проводили на установке PlasmaPro NGP80 RIE (Oxford Instruments). Ширина полос меандров варьировалась и составляла 20, 30 и 40 мкм. ОЛН была параллельна полосам меандра. Контактные площадки размерами 1 × 1 мм из слоя меди толщиной 240 нм были сформированы при помощи оптической литографии на установке MJB4 (SUSS MicroTec) и процедуры “lift-off”.

Магниторезистивные измерения и термомагнитную обработку в атмосфере гелия проводили в установке, собранной на базе электромагнита фирмы Bruker и температурного контроллера LakeShore 336. Магнитосопротивление определяли как ΔR/R_s = [(R(H) – R_s)/R_s] × 100% , где R(H) – сопротивление образца в магнитном поле, R_s – сопротивление в поле насыщения. Магниторезистивную чувствительность S = ∆(∆R/R_s)/∆H определяли по наклону линейного участка кривой ∆R/R_s(H).

Исследования микроструктуры проводили методами рентгеновской дифрактометрии на дифрактометре ДРОН-3М в излучении CoKα₁, атомной силовой микроскопии на многофункциональном сканирующем зондовом микроскопе СОЛВЕР НЕКСТ и методом просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе Tecnai G-30.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование микроструктуры. На рис. 1 показана дифрактограмма, полученная для спинового клапана с толщиной слоя меди 32 Å. Единственный структурный пик соответствует семейству плоскостей (111) гранецентрированной кубической (ГЦК) решетки. Данный пик является общим для FeMn, NiFeCr, Cu и CoFeNi из-за близости параметров ГЦК-структур этих материалов. Отсутствие остальных пиков является признаком текстуры 〈111〉. Ширина кривой качания (ω-скан) вокруг пика (111) составляет 4.4 град.

Рис. 1.

Дифрактограмма спинового клапана Ta(50)/NiFeCr(50)/CoFeNi(35)/Cu(33)/CoFeNi(35)/ Ru(8)/CoFeNi(30)/FeMn(100)/Ta(50). На вставке показаны сателлиты вокруг пика (111).

Подобные результаты рентгеновской дифракции были получены для спиновых клапанов с другими толщинами слоя меди. Важной особенностью всех дифрактограмм являются толщинные осцилляции (сателлиты) вокруг пика (111). Толщина, определенная по периоду данных осцилляций, совпадает с точностью 1 Å с суммарной номинальной толщиной слоев NiFeCr(50)/CoFeNi(35)/Cu(t_Cu)/CoFeNi(35) в составе спинового клапана. По-видимому, в данной части наноструктуры совершенство межслойных границ так велико, а рассогласование параметров кристаллической решетки слоев так мало, что реализовались условия получения сателлитов, соответствующих суммарной общей толщине данных слоев.

На рис. 2 показаны электронограммы, полученные для спинового клапана с t_Cu = 32 Å. Для NiFeCr, Cu, CoFeNi и FeMn кольцо (111) является слабым, а (220) – ярким. Такое распределение интенсивностей дебаевских колец характерно для аксиальной текстуры 〈111〉, ось которой перпендикулярна плоскости пленки. Точечные рефлексы в дебаевских кольцах распределены не равномерно, а сосредоточены в определенных узких угловых диапазонах. Эта особенность проявляется на половине полученных электронограмм и является следствием того, что угол разворота между решетками соседних кристаллитов в плоскости пленки мал. На рис. 3 показаны соответствующие электронограмме изображения высокого разрешения. Видны линии муара (рис. 3а), которые появляются в многослойных структурах, если рассогласование кристаллических решеток слоев мало. На многих изображениях имеются области, в которых видны тонкие прямые параллельные линии прямого разрешения проекций атомных плоскостей на плоскость изображения (рис. 3б). Расстояние между проекциями атомных плоскостей составляет d = 2.1 Å, что соответствует расстоянию между атомными плоскостями (111) NiFeCr, Cu и CoFeNi.

Рис. 2.

Электронограмма спинового клапана Ta(50)/NiFeCr(50)/CoFeNi(35)/Cu(33)/CoFeNi(35)/ Ru(8)/CoFeNi(30)/FeMn(100)/Ta(50). Цифрами обозначены дебаевские кольца от семейств плоскостей: 1 – (100) Ta; 2 – (111) FeMn; 3 – (111) NiFeCr, Cu и CoFeNi; 4 – (220) FeMn, 5 – (220) NiFeCr, Cu и CoFeNi; 6 – (311) NiFeCr, Cu и CoFeNi; 7 – (331) NiFeCr, Cu и CoFeNi; 8 – (420) NiFeCr, Cu и CoFeNi.

Рис. 3.

Изображения высокого разрешения спинового клапана Ta(50)/NiFeCr(50)/CoFeNi(35)/Cu(33)/ CoFeNi(35)/Ru(8)/CoFeNi(30)/FeMn(100)/Ta(50). На вставках – выделенные фрагменты в увеличенном масштабе.

Характерное изображение поверхности пленок, полученное при помощи зондовой микроскопии, показано на рис. 4. Средний размер зерна составляет 230–250 Å. Шероховатость поверхности сравнительно мала [20, 21] и характеризуется среднеквадратичным отклонением rms = 3–5 Å.

Рис. 4.

Изображение структуры поверхности спинового клапана Ta(50)/NiFeCr(50)/CoFeNi(35)/Cu(33)/ CoFeNi(35)/Ru(8)/CoFeNi(30)/FeMn(100)/Ta(50), полученное при помощи сканирующего зондового микроскопа.

Таким образом, исследуемые спиновые клапаны обладают совершенной текстурой 〈111〉, малой шероховатостью поверхности и малым рассогласованием параметров кристаллической решетки соседних слоев. Причем последнее характерно именно для той части структуры, в которой происходит спин-зависимое рассеяние электронов.

Магниторезистивные свойства. Полевые зависимости магнитосопротивления были измерены в поле, приложенном параллельно ООА || ОЛН. На рис. 5 показана характерная форма полевой зависимости магнитосопротивления в малых и больших полях и обозначены ширина и сдвиг низкополевой петли гистерезиса. При уменьшении толщины слоя меди в спиновом клапане происходят закономерные изменения ширины и сдвига низкополевой петли гистерезиса, а также максимальной величины магнитосопротивления. Полученные зависимости этих величин от t_Cu показаны на рис. 6. Осциллирующий характер зависимости H_j(t_Cu) указывает на то, что осциллирующее обменное взаимодействие доминирует над ферромагнитным дипольным. При t_Cu ≈ 20 Å реализуется второй антиферромагнитный максимум обменного взаимодействия. Отметим, что в интервале толщин слоя меди от 19.7 до 22 Å наблюдается слабый гистерезис (H_c = 5.9 Э) и большая величина магнитосопротивления ((ΔR/R_s)_max = 11.5%).

Рис. 5.

Низкополевая часть магниторезистивной кривой спинового клапана со слоем меди толщиной 33 Å. (H_c) и (H_j) – ширина сдвиг низкополевой петли гистерезиса. На вставке – полевая зависимость магнитосопротивления в широком интервале полей.

Рис. 6.

Зависимости максимального магнито-сопротивления, ширины и сдвига низкополевой петли (нижний, средний и верхний графики, соответственно) от толщины t_Cu для спиновых клапанов Ta(50)/NiFeCr(50)/CoFeNi(35)/Cu(t_Cu)/CoFeNi(35)/ Ru(8)/CoFeNi(30)/FeMn(100)/Ta(50).

На рис. 7 показано, как изменяется форма и сдвиг низкополевой петли гистерезиса при изменении толщины слоя меди в спиновом клапане. При уменьшении t_Cu сдвиг низкополевой петли гистерезиса от H = 0 попеременно увеличивается и уменьшается. При t_Cu = 20 Å получено сочетание минимального сдвига и максимального магнитосопротивления, а также высокая магниторезистивная чувствительность S = 18%/Э. Именно такая пленка спинового клапана была выбрана для изготовления сенсорных элементов.

Рис. 7.

Низкополевые части магниторезистивных кривых спиновых клапанов Ta(50)/NiFeCr(50)/ CoFeNi(35)/Cu(t_Cu)/CoFeNi(35)/Ru(8)/CoFeNi(30)/ FeMn(100)/Ta(50). Цифры в центре рисунка обозначают толщину слоя меди в ангстремах.

Сенсорные элементы и их функциональные параметры. Были изготовлены меандры с шириной полос 20, 30 и 40 мкм. Для ослабления гистерезиса во всех микрообъектах путем термомагнитной обработки было сформировано неколлинеарное взаимное расположение ООА и ОЛН. Термомагнитная обработка включала в себя отжиг в течение 10 мин при температуре 180°С и последующее охлаждение в поле H_sf, соответствующем спин-флоп состоянию САФ, приложенном параллельно ОЛН. Этот способ термомагнитной обработки подробно описан в [9, 22, 23]. Для определения величины H_sf магниторезистивную кривую измерили при температуре 180°С, превышающей температуру блокировки, при которой разрушается обменное взаимодействие на границе CoFeNi/FeMn. На рис. 8 показана магниторезистивная кривая, обозначены поля H_sf. Минимальная ширина низкополевой петли гистерезиса была получена после термомагнитной обработки в поле H_ann = –1 кЭ, приложенном вдоль полосы меандра. Величина H_ann больше, чем H_sf, поэтому формируемая при термомагнитной обработке новая ООА отклонена от нормали к ОЛН на угол 10–15 град [9]. Безгистерезисная зависимость магнитосопротивления получается при измерении в поле, приложенном перпендикулярно полосе меандра.

Рис. 8.

Магниторезистивная кривая, измеренная при температуре 180°С, для меандра с шириной полос 30 мкм.

На рис. 9 показаны полученные после термомагнитной обработки низкополевые части магниторезистивных кривых и взаимное расположение осей анизотропии, полосы меандра и приложенного при измерении магнитного поля. Для сенсорных элементов с шириной полос 20, 30 и 40 мкм чувствительность составила 0.36, 0.46 и 0.51%/Э, соответственно. Отметим, что нечетная рабочая характеристика и высокая чувствительность получены без каких-либо дополнительных приспособлений (например, магнитных концентраторов, или постоянных магнитов).

Рис. 9.

Полевые зависимости магнито-сопротивления меандров с шириной полос 20, 30 и 40 мкм (светлые символы, сплошная и пунктирная линии, соответственно). На вставке слева – изображение меандра с шириной полос 30 мкм, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа; справа – взаимное расположение полосы меандра, ООА, ОЛН и поля при измерении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изготовленные спиновые клапаны на основе сплава Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ с использованием буферного слоя Ta/(Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀ обладают гладкими межслойными границами и высокоупорядоченной микроструктурой, а именно, совершенной текстурой 〈111〉 и малоугловыми границами между соседними кристаллитами поликристаллической пленки.

В полученных спиновых клапанах взаимодействие между разделенными слоем меди ферромагнитными слоями осуществляется преимущественно за счет РККИ осциллирующего обменного взаимодействия. Для спиновых клапанов с толщиной слоя меди, соответствующей второму антиферромагнитному максимуму, получено сочетание большой величины магнитосопротивления, слабого гистерезиса и нулевого сдвига низкополевой петли.

Полученные сенсорные элементы обладают перспективными для применения характеристиками: магнитосопротивлением свыше 10%, чувствительностью к магнитному полю до 0.5%/Э и нечетной характеристикой в интервале слабого магнитного поля от –10 до +10 Э.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Спин” АААА-А18-118020290104-2 и при поддержке РФФИ (грант 19-02-00057).

Исследования наноструктуры выполнены в ЦКП “Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов” ИФМ УрО РАН.