Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 9, стр. 905-912

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные металлические сверхрешетки с эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС) являются одним из современных типов магниточувствительных наноматериалов, используемых в различных изделиях магнитоэлектроники. Функциональные характеристики таких искусственных наноматериалов могут быть изменены в широких пределах путем выбора композиции многослойной структуры и типов входящих в них магнитных и немагнитных материалов. Использование тройных ферромагнитных сплавов Co–Fe–Ni в сверхрешетках нацелено на получение ГМС материалов с малыми полями магнитного насыщения, слабым гистерезисом и высокой чувствительностью к магнитному полю, которая может достигать значений (0.3–0.5)%/Э. Повышение чувствительности у таких сверхрешеток связано, главным образом, со снижением поля магнитного насыщения, что обусловлено, в частности, свойствами используемых магнитомягких сплавов CoFeNi.

Отличительной особенностью сверхрешеток CoFeNi/Cu, обладающих малыми полями магнитного насыщения 50–100 Э, является небольшая величина относительного магнитосопротивления (МС) в сравнении, например, со сверхрешетками Co/Cu и Co₉₀Fe₁₀/Cu. Для толщины слоев меди t_Cu = 2–2.3 нм, соответствующей второму антиферромагнитному максимуму осциллирующего межслойного обменного взаимодействия РККИ типа, в большинстве опубликованных работ МС сверхрешеток CoFeNi/Cu при комнатной температуре составляет лишь 10–15% [1–6]. В то время как в сверхрешетках Co/Cu и Co₉₀Fe₁₀/Cu с полями магнитного насыщения 200–400 Э магнитосопротивление достигает значений 25–35% [7–10]. Только в одной работе [3] для сверхрешеток CoFeNi/Cu приведены данные о величинах МС 20–25%, наблюдаемых при использовании сплавов с концентрацией Fe менее 15 атомных процентов.

В работе [3] приведена тройная диаграмма для сплавов CoFeNi с указанием линии, соответствующей композициям с нулевой константой магнитострикции (λ). Положение данной линии на диаграмме соответствует сплавам с содержанием Ni 5–20% и содержанием Fe 5–40%. Аналогичное расположение линии для сплавов с λ = 0 отмечено также в работе [11], в которой исследованы спиновые клапаны, содержащие тонкий (2 нм) свободный слой из сплавов CoFeNi различного состава. Следует отметить, что в ряде работ на тройной диаграмме для сплавов с нулевой магнитострикцией указано другое положение линии [1, 12].

Использование тройных сплавов с нулевой магнитострикцией в ГМС сверхрешетках может приводить к уменьшению поля магнитного насыщения и ослаблению гистерезиса. Ряд сверхрешеток с такими сплавами исследован, например, в [3]. Было обнаружено, в частности, что увеличение содержания Fe в сплаве при малом содержании Ni приводит к значительному уменьшению МС сверхрешеток с 25 до 5%. Данный результат не является ожидаемым, так как магнитные характеристики использованных в [3] сплавов CoFeNi кардинально не изменяются в зависимости от состава. Значительное уменьшение МС в данном случае, по-видимому, обусловлено выбором неоптимальной композиции сверхрешеток, содержащих 20 бислоев. В частности, для сверхрешеток [Ni₇₆Fe_l0Co_l4/Cu]_n и [Co₉₀Fe₁₀/Cu]_n с толщиной слоев меди t_Cu = 2–2.3 нм ранее было показано, что при возрастании числа бислоев (n > 10) наблюдается уменьшение МС относительно максимального значения [1, 13]. Другая причина уменьшения МС в [3] может быть связана с изменением кристаллической структуры в слоях CoFeNi с ГЦК на ОЦК при увеличении концентрации Fe в сплаве [11, 12].

Целью настоящей работы было показать возможность получения в сверхрешетках на основе тройных сплавов CoFeNi/Cu(2.2 нм) больших, как и в сверхрешетках Co/Cu и CoFe/Cu, значений магнитосопротивления (~30%), а также исследовать изменение величины магнитосопротивления и гистерезиса магнитосопротивления в зависимости от состава и толщины слоев CoFeNi.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Образцы сверхрешеток получены методом магнетронного напыления на постоянном токе с использованием установки MPS-4000-C6 (Ulvac) при комнатной температуре подложки, давлении аргона 0.1 Па и мощности магнетронного испарителя 100 Вт. В качестве подложек использованы стекла (Corning). Описание методики получения наноструктур можно найти в работах [6, 10]. Исследованные сверхрешетки имеют состав: стекло//Ta(5)/NiFeCr(5)/[FM(t_FM)/Cu(2.2)]_n/Ta(5). Здесь и далее толщина слоев в скобках указана в нанометрах. Парамагнитный сплав, входящий в составной буферный слой, имеет следующий состав: NiFeCr = (Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀. Эффективность использования данного материала в составе буферного слоя ГМС сверхрешеток нами была показана в работах [6, 10, 14, 15]. Исследование гистерезиса в зависимости от состава ферромагнитных слоев проведено на сверхрешетках с числом бислоев n = 8. Для получения максимальных значений МС также были исследованы сверхрешетки с n = 12.

В исследованных сверхрешетках использованы четыре типа ферромагнитных (FM) сплавов: Co₉₀Fe₁₀, Co₈₅Fe₁₂Ni₃, Co₇₇Fe₁₇Ni₆, Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀. Напыление металлических слоев происходило из мишеней соответствующего сплава. Тройные сплавы выбраны таким образом, чтобы на тройной диаграмме они находились вблизи линии, соответствующей сплавам с нулевой магнитострикцией [3]. При этом максимальное содержание Fe ограничено 20%, чтобы обеспечить сохранение в сплаве ГЦК-структуры. Толщину слоев в сверхрешетках для сплава каждого состава варьировали в пределах 1.1–1.5 нм.

Исследования структуры исходных мишеней и приготовленных сверхрешеток проводили методом рентгеновской дифракции на модернизированном дифрактометре ДРОН-3М с использованием CoKα-излучения и Si монохроматора на первичном пучке.

Сопротивление образцов измеряли на постоянном токе 4-х контактным методом с использованием держателя с прижимными контактами. Векторы напряженности магнитного поля и тока были направлены в плоскости слоев взаимно перпендикулярно. Изменение МС от напряженности магнитного поля определяли как ΔR(Н)/R_s = = [(R(H) – R_s)/R_s] × 100%, где R_s – сопротивление образца в поле магнитного насыщения. Исследования полевых зависимостей намагниченности и МС проведены при комнатной температуре в магнитных полях до ±500 Э. Для характеризации гистерезиса на полевой зависимости МС использована величина ΔH, определяемая по разности значений магнитного поля, соответствующих полувысоте кривой ΔR(Н)/R_s, для восходящей и нисходящей ветвей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования магнитных характеристик исходных FM-сплавов показали, что они обладают близкими значениями намагниченности насыщения (рис. 1). Из мишеней были приготовлены пленки толщиной 80–110 нм и на них проведены измерения петель магнитного гистерезиса. Было обнаружено, в частности, что при увеличении в сплаве CoFeNi концентрации Ni и Fe происходит существенное уменьшение коэрцитивной силы (H_c): 34; 27; 17 и 6 Э, соответственно для сплавов Co₉₀Fe₁₀, Co₈₅Fe₁₂Ni₃, Co₇₇Fe₁₇Ni₆ и Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀. На рис. 2 для наглядности приведены петли магнитного гистерезиса только для двух составов. Видно, что для пленок сплавов Co₉₀Fe₁₀ и Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ коэрцитивная сила отличается более, чем в 5 раз.

Рис. 1.

Значения намагниченности насыщения (M_s) для объемной мишени тройного сплава Co–Fe–Ni соответствующего состава.

Рис. 2.

Петли магнитного гистерезиса для пленок сплавов: 1 – Co₉₀Fe₁₀, 2 – Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀. Толщина пленок составляет 110 нм.

Для магниторезистивных измерений были приготовлены серии образцов сверхрешеток, содержащих 8 бислоев. Толщина ферромагнитных слоев каждого состава в серии принимала пять значений: 1.1; 1.2; 1.3; 1.4; 1.5 нм. Результаты измерений приведены в таблице 1. Отметим, что максимальные значения МС для всех исследованных образцов находятся в диапазоне 23.8–28.2%. При этом для исследованного диапазона толщин ферромагнитных слоев не прослеживается какой-либо зависимости величины МС ни от толщины слоев, ни от состава используемых сплавов. Небольшим отличием в величине МС обладают сверхрешетки с t_FM = 1.3 нм, поэтому далее в работе им уделено основное внимание.

Для сравнения на рис. 3 приведены зависимости ΔR(Н)/R_s для сверхрешеток с t_FM = 1.3 нм. Сверхрешетки имеют близкие значения максимального МС, однако изменение состава ферромагнитного сплава от 1 к 4 образцу оказывает влияние на форму полевых зависимостей МС.

Рис. 3.

Полевые зависимости магнитосопротивления сверхрешеток Ta(5)/NiFeCr(5)/[FM(1.3)/Cu(2.2)]₈/Ta(5) с ферромагнитными сплавами различного состава: 1 – Co₉₀Fe₁₀/Cu; 2 – Co₈₅Fe₁₂Ni₃/Cu; 3 – Co₇₇Fe₁₇Ni₆/Cu; 4 – Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀/Cu.

Общие графики, отражающие изменение гистерезиса ΔH и поля магнитного насыщения H_s в зависимости от состава ферромагнитного сплава и толщины слоев, приведены, соответственно, на рис. 4 и 5. Видно, что в пределах исследованного интервала толщин величина ΔH почти не изменяется при увеличении толщины ферромагнитных слоев в сверхрешетке. При этом значение H_s уменьшается при увеличении t_FM. Из рис. 4 и 5 также видно, что изменение состава ферромагнитного сплава приводит к существенному снижению как гистерезиса, так и поля насыщения. Для сверхрешеток на основе сплава Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ величины ΔH и H_s оказались приблизительно в 2 и в 1.5 раза меньше соответствующих значений, наблюдаемых у сверхрешеток на основе сплава Co₉₀Fe₁₀. Следует отметить, что число бислоев n = 8 выбрано с той целью, чтобы получить сочетание большой величины МС и слабого гистерезиса. Однако данное число бислоев не является оптимальным, если задачей является достижение максимальных значений МС. Дополнительное повышение МС может быть получено при увеличении числа бислоев, например, до n = 12. Заметим, что при увеличении числа бислоев возрастает также и гистерезис.

Рис. 4.

Изменение величины ΔH в зависимости от толщины (t_FM) и состава ферромагнитных слоев в сверхрешетках [FM(t_FM)/Cu(2.2)]₈: 1 – Co₉₀Fe₁₀; 2 – Co₈₅Fe₁₂Ni₃; 3 – Co₇₇Fe₁₇Ni₆; 4 – Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀.

Рис. 5.

Значения полей магнитного насыщения в зависимости от толщины и состава ферромагнитных слоев в сверхрешетках [FM(t_FM)/Cu(2.2)]₈. Нумерация кривых соответствует рис. 4.

На рис. 6 приведены магниторезистивные кривые для оптимизированных сверхрешеток на основе сплавов Co₉₀Fe₁₀ и Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀, содержащих 12 бислоев. Величина МС в данных образцах достигает ~31% при гистерезисе 34 и 18 Э, соответственно. Магниторезистивная чувствительность на начальном участке указанных кривых в интервале полей (20–50 Э) составляет 0.35%/Э, что является довольно большой величиной для ГМС-сверхрешеток. Для оптимизированных сверхрешеток на основе сплавов Co₈₅Fe₁₂Ni₃ и Co₇₇Fe₁₇Ni₆ также получены значения МС около 30%. Для наглядности на рис. 6 приведены кривые только для двух образцов.

Рис. 6.

Полевые зависимости магнитосопротивления для Ta(5)/NiFeCr(5)/[Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀(1.3)/Cu(2.2)]₁₂/Ta(5) – сплошная линия и Ta(5)/NiFeCr(5)/[Co₉₀Fe₁₀(1.2)/ Cu(2.2)]₁₂/Ta(5) – штрихпунктирная линия.

На данном этапе исследований целью оптимизации композиции сверхрешеток было получить максимально возможные значения МС. Проведенные исследования показали, что в случае использования сплавов Co₉₀Fe₁₀, Co₈₅Fe₁₂Ni₃ и Co₇₇Fe₁₇Ni₆ максимальное МС наблюдается при n = 12 и t_FM = 12 Å, в то время как в сверхрешетках на основе сплава Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ – при n = 12 и t_FM = 13 Å.

Важно отметить, что сверхрешетки с n = 8 и различным материалом ферромагнитных слоев обладают близкими величинами МС (табл. 1). В оптимизированных сверхрешетках с числом бислоев n = 12 также наблюдаются близкие значения МС (ΔR/R_s)_max = 30–31% вне зависимости от состава ферромагнитного сплава.

Указанные максимальные значения МС превосходят соответствующие значения, приведенные в опубликованных ранее работах для различных ГМС сверхрешеток на основе меди и тройных сплавов CoFeNi. Полученные результаты отличаются также от данных работы [3], в которой исследованы сверхрешетки, близкие по составу к изученным в настоящей работе. В частности, для сверхрешеток CoFeNi(1.5)/[CoFeNi(1.5)/Cu(2)]₂₀ в [3] было показано, что величина МС убывает от 25 до 5% при увеличении в сплаве CoFeNi концентрации Fe от 10 до 40% и вариации концентрации Ni в пределах 3.5–30%. В качестве вывода в [3] указано, что ГМС выше 20% наблюдается при концентрации Fe менее 15%, а при концентрациях Fe 20 и 30% МС составляет лишь 5–10%. В нашем случае МС больше 30% получено для сверхрешетки на основе сплава Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀, содержащего 20% Fe. Данное несоответствие результатов может быть обусловлено двумя причинами: 1 – выбором в [3] ферромагнитного буферного слоя CoFeNi, влияющего на процессы перемагничивания, а также на структуру слоев и интерфейсов в сверхрешетке, и 2 – использованием в сверхрешетке большого числа бислоев (n = 20). Уменьшение величины МС при n > 10, ранее наблюдали, например, в [1, 13].

Заметим, что при значительном различии состава ферромагнитного сплава величины МС оптимизированных сверхрешеток на основе сплавов Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ и Co₉₀Fe₁₀ совпадают и равны 31%. Максимальные известные значения МС для сверхрешеток Co/Cu(~2 нм) составляют 33–35% [7], что лишь на несколько процентов превышает значения МС, приведенные в настоящей работе для сверхрешеток CoFe/Cu и CoFeNi/Cu. Данное сравнение результатов показывает, что элементный состав используемого ферромагнитного материала на основе 3d-металлов (Co, CoFe, CoFeNi) не оказывает значительного влияния на величину МС оптимизированных сверхрешеток.

Однако следует отметить, что сплавы CoFe и CoFeNi в зависимости от состава могут обладать как ГЦК, так и ОЦК-кристаллической структурой. Использование в сверхрешетках сплавов с ОЦК-структурой приводит к уменьшению МС и увеличению гистерезиса. Результаты исследований сверхрешеток с ОЦК-структурой не включены в данную статью. Сплавы CoFeNi с ГЦК-структурой в зависимости от состава значительно, в 2.5 раза, отличаются по намагниченности насыщения [12]. В ряде опубликованных ранее и цитированных в настоящей статье работ аргументы при целенаправленном выборе состава тройных сплавов, как правило, сводятся к учету и минимизации внутренних упругих напряжений и константы анизотропии (К₁), что может привести к уменьшению поля магнитного насыщения ГМС сверхрешеток. Влияние же намагниченности насыщения сплавов на величину МС сверхрешеток не обсуждается. В различных микроскопических теоретических моделях также не анализируются физические механизмы, связывающие величину намагниченности насыщения и степень спин-зависимого рассеяния электронов проводимости [16]. Однако проведенные нами исследования показывают, что некоторая корреляция между величиной намагниченности насыщения сплавов CoFeNi и максимальным МС сверхрешеток CoFeNi/Cu(~2 нм) имеется. Такой вывод основан на том, что при использовании в сверхрешетках сплавов с относительно небольшой намагниченностью насыщения и оптимизации варьируемых параметров многослойной структуры не удается получить МС свыше 20% при комнатной температуре. Такие исследования были нами проведены на ряде тройных сплавов с высоким содержанием никеля, например, Ni₆₅Fe₁₅Co₂₀, Ni₇₆Fe₁₀Co₁₄ [6], Ni₄₆Fe₃₁Co₂₃. Согласно литературным данным [1–6, 17], в сверхрешетках CoFeNi/Cu на основе сплавов c малой намагниченностью насыщения M_s = (110–150) Гс см³/г ранее также не наблюдали МС свыше 20%. Более высокие значения МС получены только в сверхрешетках на основе Co и сплавов CoFe и CoFeNi с высоким содержанием Co и M_s > > 160 Гс см³/г [3].

Данный вывод касается также тройных сплавов, использованных в настоящей работе. Повышение содержания Ni в них приводит к снижению коэрцитивной силы и уменьшению намагниченности насыщения. Для компенсации уменьшения M_s в них повышена концентрация Fe. В результате намагниченность насыщения сплавов Co₈₅Fe₁₂Ni₃, Co₇₇Fe₁₇Ni₆, Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ остается высокой (M_s >180 Гс см³/г) и примерно равной M_s для Co₉₀Fe₁₀ (рис. 1). В исследованных сверхрешетках на основе сплавов с близкими значениями M_s наблюдаются также и близкие значения максимального магнитосопротивления.

На величину МС сверхрешеток CoFeNi/Cu некоторое влияние может оказывать удельное сопротивление, зависящее от состава тройного сплава. Однако приведенные в таблице 2 данные показывают, что удельное электросопротивление указанных сверхрешеток не сильно различается и имеет значения из диапазона 20–24 мкОм см.

Более значительное влияние на форму полевой зависимости и величину МС оказывает кристаллическая структура в слоях CoFeNi, зависящая от состава тройного сплава. В ряде работ было показано, что сочетание относительно больших значений МС и слабого гистерезиса наблюдается в сверхрешетках с ГЦК-структурой, острой текстурой 〈111〉 и хорошим сопряжением кристаллических решеток сплава CoFeNi и Cu [6, 18, 19]. Для сплавов с большим содержанием Co тип кристаллической структуры определяется, главным образом, концентрацией Fe. Согласно [12], переход от ГЦК-структуры к смешанному состоянию с двумя ОЦК- и ГЦК-фазами происходит при концентрации Fe около 15%. При концентрации Fe (30–35)% происходит переход в состояние с ОЦК-структурой. В случае тонких пленок (t_FM = = 2 нм) на тройной диаграмме в [11] переход между состояниями с ГЦК- и ОЦК-структурами обозначен при концентрациях Fe выше 25%.

В настоящей работе исследования структуры проведены как в исходных сплавах с концентрацией Fe до 20%, так и в приготовленных сверхрешетках. Во всех массивных и пленочных образцах обнаружена ГЦК-структура. На рис. 7 показаны результаты рентгеновской дифракции, полученные для четырех типов исследованных сверхрешеток. В диапазоне углов 45° ≤ 2Θ ≤ 90° обнаружен только один брегговский пик, который относится к общему для CoFeNi и Cu рефлексу (111), что свидетельствует о наличии текстуры 〈111〉. Слева от рефлекса (111) наблюдается характерный для сверхрешеток сателлитный пик (S^–), обусловленный периодичным расположением слоев в сверхрешетке. Отметим, что для всех сверхрешеток величина угла рассеяния текстуры (γ) является малой (табл. 2), что указывает на формирование в образцах высокосовершенной аксиальной текстуры 〈111〉. Помимо состава тройного сплава важную роль в формировании совершенной ГЦК-структуры в исследованных сверхрешетках играет также составной буферный слой Ta(5)/NiFeCr(5), который был использован нами ранее в сверхрешетках CoFe/Cu для получения рекордных значений МС [14, 15].

Рис. 7.

Результат рентгеновской дифракции для образцов Ta(5)/NiFeCr(5)/[FM(1.3)/Cu(2.2)]₈/Ta(5), где FM: 1 – Co₉₀Fe₁₀; 2 – Co₈₅Fe₁₂Ni₃; 3 – Co₇₇Fe₁₇Ni₆; 4 – Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀.

Экспериментальные данные, приведенные на рис. 4, показывают, что наилучшим вариантом из использованных ферромагнитных сплавов является сплав Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀. В сверхрешетках на его основе наблюдается наиболее слабый гистерезис при величине МС около 30%. Следует отметить, что для спиновых клапанов со свободным слоем на основе тройных сплавов CoFeNi различного состава ранее была установлена область концентраций, в которой у сплавов наблюдается слабый гистерезис [11]. Сплав Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ также относится к данной области на тройной диаграмме. Коэрцитивная сила в нем более чем в 5 раз меньше, чем у сплава Co₉₀Fe₁₀, и в сверхрешетках на его основе наблюдается наименьший гистерезис, что согласуется с результатами работы [11].

Отметим, что относительно высокая чувствительность (0.35%/Э) для сверхрешетки Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀/Cu получена не за счет уменьшения поля магнитного насыщения, а, главным образом, за счет большой величины МС. Можно ожидать, что использование в аналогичных сверхрешетках сплавов CoFeNi с концентрацией Ni более 10% и применение более толстых ферромагнитных слоев позволят уменьшить поле магнитного насыщения и дополнительно повысить чувствительность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований показано, что в сверхрешетках CoFeNi/Cu с толщиной слоев меди, соответствующей 2-му максимуму межслойного обменного взаимодействия, магнитосопротивление при комнатной температуре может превышать 30%. При использовании сплавов различного состава (Co₉₀Fe₁₀, Co₈₅Fe₁₂Ni₃, Co₇₇Fe₁₇Ni₆, Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀), обладающих близкими значениями намагниченности насыщения, максимальные значения магнитосопротивления почти не зависят от состава ферромагнитного сплава и укладываются в диапазон (ΔR/R_s)_max = 30–31%. В сверхрешетках с различным составом ферромагнитных слоев наблюдается систематическое уменьшение гистерезиса магнитосопротивления при увеличении в сплаве концентрации Ni от 3 до 10% и Fe от 10 до 20%. Наименьший гистерезис ΔH = 14 Э обнаружен в сверхрешетке на основе сплава Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀. В сравнении с Co₉₀Fe₁₀/Cu у сверхрешеток Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀/Cu при близкой величине максимального магнитосопротивления наблюдаются в 2 раза более слабый гистерезис и в ~1.5 раза меньшее поле магнитного насыщения.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России по теме “Спин” АААА-А18-118020290104-2, Комплексной программы УрО РАН, проект 18-10-2-37, и при частичной поддержке РФФИ, грант 19-02-00057.