1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика металлов и металловедение
  4. T. 122, № 11, 2021

Физика металлов и металловедение, 2021, T. 122, № 11, стр. 1149-1157

Гибкие спиновые клапаны: межслойное взаимодействие и деформационная чувствительность

Л. И. Наумова a, *, Т. А. Чернышова a, Р. С. Заворницын a, М. А. Миляев a, И. К. Максимова a, В. В. Проглядо a, А. А. Захаров a, В. В. Устинов a

a Институт физики металлов УрО РАН
620108 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18, Россия

* E-mail: naumova@imp.uran.ru

Поступила в редакцию 08.07.2021
После доработки 19.07.2021
Принята к публикации 22.07.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

На гибких полиимидных подложках магнетронным напылением были получены обменно-связанные спиновые клапаны на основе ферромагнитных сплавов CoFeNi и антиферромагнетика FeMn. Магниторезистивные свойства пленок и микрополосок спиновых клапанов измеряли при различной степени деформации изгиба образца. Выявлен характер зависимости деформационной чувствительности спинового клапана от взаимодействия между магнитными слоями и расположения осей анизотропии по отношению к вектору деформации. Обнаружено, что деформационная чувствительность снижается при увеличении полевого интервала между перемагничиванием свободного и закрепленного слоев в спиновом клапане.

Ключевые слова: спиновый клапан, сплав CoFeNi, полимерная подложка, магнитострикция, эффект Виллари, деформация, магнитная анизотропия

ВВЕДЕНИЕ

Преимуществами наноструктур на полимерных подложках являются их легкость, малая толщина, приспосабливаемость к измеряемой поверхности и ударопрочность. Гибкие дисплеи [1], магнитные датчики [2, 3], солнечные батареи, светодиоды [4–6], медицинские аппараты [7], пленочные транзисторы [8], микроприводы [9] изготавливаются на полимерных подложках (полиэтилентерефталат (PET), полиэтиленнафталат (PEN), полиимид (PI) [10]. Интерес для исследователей представляет как сохранение, так и значительное изменение функциональных характеристик при деформации [11–13].

Магнитные материалы обладают магнитострикцией, поэтому важно исследование влияния механического воздействия на магнитные характеристики пленок. В наноструктуре, состоящей из двух ферромагнитных (ФМ) слоев, разделенных немагнитным слоем, сопротивление зависит от угла между магнитными моментами ФМ слоев (гигантский магниторезистивный (ГМР) эффект). Помимо чувствительности к магнитному полю, направление намагниченности в ФМ-материале чувствительно к величине и направлению деформации, за счет эффекта Виллари (обратного магнитострикционного эффекта) [14]. При воздействии механического напряжения изменяется направление магнитного момента слоя, что приводит к изменению магнитосопротивления.

Сочетание магнитоупругого и ГМР-эффектов в наноструктурах на полимерных подложках предполагается использовать в датчиках напряжения, деформации, давления [15–24].

Спиновые клапаны – многослойные наноструктуры, обладающие ГМР-эффектом [25]. В спиновом клапане два ФМ-слоя разделены немагнитным, при этом один из слоев, закрепленный, связан обменным взаимодействием с соседним слоем антиферромагнитного сплава. Вследствие этого формируется однонаправленная анизотропия и выделенное направление – ось однонаправленной анизотропии (ООА). Петля гистерезиса перемагничивания закрепленного слоя смещена в область высоких полей. Второй (свободный) ФМ-слой перемагничивается в слабых полях. При напылении структуры в магнитном поле в этом слое наводится одноосная анизотропия, характеризуемая осью легкого намагничивания (ОЛН).

В составе ФМ-слоев, обладающих ГМР-эффектом наноструктур, используются двойные сплавы NiFe и CoFe и тройные CoFeNi [26–28]. Согласно диаграмме тройной системы Co–Fe–Ni [29, 30], сплав Co70Fe20Ni10 имеет близкую к нулю магнитострикцию насыщения λs. Варьируя процентный состав сплава, можно получить и существенно отличные от нуля величины λs. Для сплава Co70Fe10Ni20 величина λs =1.5 × 10–5.

Большое число публикаций посвящено гибким спиновым клапанам и устройствам на их основе, однако имеется мало работ, в которых исследуется зависимость магнитоупругих и магнитотранспортных свойств от материала слоев и особенностей магнитной анизотропии спиновых клапанов. В [31, 32] исследуется увеличение деформационной чувствительности спиновых клапанов при использовании в качестве материала свободного слоя магнитострикционных сплавов Fe50Co50 (λs ~ 10-4) и FeGa. В работах [33, 34] показано, что при многократном изгибе полимерной подложки анизотропия в спиновом клапане может быть усилена или ослаблена, в зависимости от магнитострикционных свойств ферромагнитных слоев.

Объединяя вопросы гибкой электроники и спинтроники, целью данного исследования является изучение корреляции между композицией спинового клапана и изменением его магниторезистивных характеристик при деформации изгиба. Особое внимание уделялось исследованию зависимости магниторезистивных характеристик от деформации при различном взаимном расположении осей анизотропии и вектора деформации. В качестве материалов ФМ слоев спинового клапана служили сплавы Co70Fe10Ni20, Co70Fe20Ni10 с ненулевой и близкой к нулю магнитострикцией.

ЭКСПЕРИМЕНТ

На стеклянную подложку была наклеена полиимидная (PI) пленка толщиной ts = 60 мкм, на поверхности которой методом магнетронного напыления выращивали наноструктуры типа “спиновый клапан”. После напыления PI-пленку отделяли от стекла. Спиновые клапаны имели композицию: буферный слой/ФМ1/Cu/ФМ2/ Fe50Mn50/Ta, где ФМ – ферромагнитные слои сплавов Co70Fe10Ni20 и Co70Fe20Ni10. Буферный слой представляет из себя наноструктуру [Ta/(Ni80Fe20)60Cr40]n. Толстый буферный слой (n = 2, 5 и 7) использован для выравнивания поверхности подложки. Благодаря высокому удельному электросопротивлению ρ = 217 мкОм см шунтирование тока было незначительным. Измерение ρ проводили на образце [Ta(5)/NiFeCr(5)]5, изготовленном на подложке из стекла.

Оценка шероховатости поверхности PI подложек проведена с помощью оптического профилометра. Измерения проведены для большей (рис. 1a) и меньшей (рис. 1б) площади поверхности. При исследовании площадки 0.35 × 0.26 мм2 среднеквадратичное отклонение (rms) составило 129 Å. При уменьшении площади исследования до размеров 0.18 × 0.13 мм2 шероховатость поверхности уменьшилась до rms = 15 Å.

Рис. 1.

Изображение поверхности и шероховатость PI подложки при различной площади исследуемой поверхности.

Можно предположить, что для микрообъектов высокая шероховатость поверхности гибкой подложки в меньшей степени скажется на целостности слоев и магниторезистивных характеристиках многослойной структуры.

Методом оптической литографии изготовлены микрополоски длиной 9 мм и шириной h = 20, 40, 60, 80 и 100 мкм. При формировании микрообъектов была реализована как параллельная, так и перпендикулярная ориентация ОЛН по отношению к длине микрополоски. Измерения сопротивления выполнены при комнатной температуре четырехконтактным методом при протекании постоянного тока в плоскости пленки. Магнитосопротивление определяли как ΔR/Rs = = [(R(H) – Rs)/Rs], где R(H) – сопротивление образца в магнитном поле, Rs – сопротивление в поле насыщения. Исследовали образцы размером 2 × 10 мм2 и микрообъекты.

Полевые зависимости магнитосопротивления получали на установке, собранной на базе электромагнита фирмы Bruker. Исследуемые образцы помещали в специальном держателе между полюсными наконечниками магнита. Диаметр полюсных наконечников составлял 8 см, расстояние между ними 4 см, таким образом, гибкие спиновые клапаны полностью находились в области с однородным магнитным полем как в деформированном, так и в недеформированном состоянии. Образцы закрепляли с помощью клея на держателе, изготовленном из пластмассового уголка и немагнитных винта и гайки (рис. 2). Один край образца был фиксирован, второй двигался поступательно вместе с гайкой при вращении винта. Изгиб образца контролировали количеством оборотов винта N.

Рис. 2.

Фотография держателя с образцом и схематичное изображение пленки наноструктуры толщины tf на полимерной подложке толщины ts. r – радиус кривизны поверхности изогнутой подложки. u – вектор деформации. l0 и l – длина образца в недеформированном и деформированном состоянии.

На рис. 2 показано схематичное изображение пленки наноструктуры толщины tf на полимерной подложке в состоянии деформации изгиба подложки и растяжения пленки наноструктуры. Важно, что tf$ \ll $ ts, поэтому можно считать, что деформация пленки однородна по объему и сводится к линейному растяжению или сжатию, если пленка находится с нижней стороны полимерной подложки. Направление смещения точек тела при деформации обозначено вектором деформации u. В качестве величин, характеризующих степень деформации, использовали радиус кривизны поверхности подложки r и относительное удлинение пленки наноструктуры ε = (l – l0)/l0, где l0 и l – длина образца в недеформированном и деформированном состоянии. Относительное удлинение связано с радиусом кривизны изгиба соотношением

(1)
ε = (tf + ts)/2r.

Радиус кривизны r находится из решения уравнения

(2)
${{l}_{0}} = 2r\arcsin ({{l}_{0}} - {{Nd} \mathord{\left/ {\vphantom {{Nd} {2r}}} \right. \kern-0em} {2r}}),$
где N – количество оборотов винта, d – шаг резьбы.

Чувствительность S магнитосопротивления к деформации рассчитывали как отношение разности максимальных значений магнитосопротивления в недеформированном и деформированном состояниях к значению в деформированном состоянии: S = [(Rmax(l0) – Rmax(l)]/Rmax(l).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Магнитоупругие и магнитотранспортные свойства спиновых клапанов со слоями сплава Co70Fe10Ni20

Мы ввели слой ФМ-сплава с ненулевой магнитострикцией (Co70Fe10Ni20) в состав спинового клапана. Задачей данного этапа исследований было получение спиновых клапанов, сочетающих большую величину магнитосопротивления, слабый гистерезис перемагничивания свободного слоя и заметное изменение магниторезистивных характеристик при деформации. Спиновые клапаны [Ta(5 нм)/NiFeCr(5 нм)]2/CoFeNi(5.5 нм)/ Cu(3.6 нм)/CoFeNi(3.5 нм)/FeMn(15 нм)/Ta(6 нм) обладают разной комбинацией расположения сплавов Co70Fe10Ni20 и Co70Fe20Ni10 в ФМ слоях (табл. 1).

Таблица 1.  

Расположение ФМ-сплавов в слоях спинового клапана

№ обр. Свободный слой Закрепленный слой
1 Co70Fe10Ni20 Co70Fe20Ni10
2 Co70Fe20Ni10 Co70Fe10Ni20
3 Co70Fe20Ni10 Co70Fe20Ni10
4 Co70Fe10Ni20 Co70Fe10Ni20

Полевые зависимости магнитосопротивления (рис. 3) были измерены в: недеформированном состоянии и при деформациях, соответствующих растяжению (ε > 0) и сжатию (ε < 0) при u || ООА || ОЛН || H и r = 12 мм. При данной геометрии изгиб образца приводит к изменению проекции поля H на плоскость пленки. В разных частях спинового клапана антипараллельное упорядочение магнитных ФМ-слоев реализуется при разных величинах приложенного поля, что уменьшает максимальное магнитосопротивление при деформации.

Рис. 3.

Полевые зависимости магнитосопротивления спиновых клапанов в недеформированном (а, г) и при деформациях изгиба, ε > 0 (б, д) и ε < 0 (в, е) пленки наноструктуры.

Для всех образцов магнитосопротивление при деформации уменьшается, причем при ε < 0 (рис. 3в, 3е) уменьшение более заметно, чем при ε > 0 (рис. 3б, 3д). Имеются два фактора, которые приводят к изменению магнитосопротивления. Первый связан с магнитоупругой анизотропией, второй с упомянутым выше изменением проекции H на плоскость пленки. Второй фактор приводит к уменьшению магнитосопротивления как при ε < 0, так и при ε > 0. Следовательно, различия в изменении магнитосопротивления при ε < 0 и ε > 0 связаны с тем, что магнитоупругая анизотропия по-разному сочетается с одноосной и однонаправленной анизотропией. Вероятно, при ε > 0 происходит выстраивание локальных магнитных моментов вдоль ОЛН и ООА в свободном, закрепленном и антиферромагнитном слоях. Это способствует антиферромагнитному упорядочению магнитных моментов ФМ-слоев и увеличению магнитосопротивления. Таким образом, при деформации растяжения факторы 1) изменения проекции H на плоскость пленки и 2) магнитоупругой анизотропии конкурируют. При ε < 0, вероятно, происходит увеличение разориентации локальных магнитных моментов по отношению к ОЛН и ООА, что приводит к уменьшению магнитосопротивления.

Рассмотрим изменения формы магниторезистивной кривой, которые происходят при деформации спиновых клапанов с разным сочетанием сплавов в ФМ-слоях. Если свободный слой содержит сплав Co70Fe10Ni20, то наклон низкополевой петли уменьшается, а ее ширина увеличивается как при ε > 0, так и при ε < 0. Возможным объяснением является изменение доменной структуры и механизма перемагничивания слоя, в частности, переход от когерентного вращения намагниченности к смещению доменных стенок.

Для спиновых клапанов со сплавом Co70Fe20Ni10 в свободном слое низкополевая петля гистерезиса значительно уже, а максимальное магнитосопротивление выше. При деформации наклон низкополевой петли увеличивается, что говорит о преобладании механизмов когерентного вращения намагниченности и отсутствии дополнительного разбиения на домены. Наименьшим изменением магниторезистивного эффекта при деформации обладает образец № 3, в котором оба ФМ-слоя представлены сплавом с нулевой магнитострикцией.

Для образца № 2 были получены наибольшее магнитосопротивление, самая узкая низкополевая петля гистерезиса и самое большое изменение магнитосопротивления при деформации. Для дальнейших экспериментов была выбрана композиция спинового клапана № 2 со сплавом Co70Fe20Ni10 в свободном и сплавом Co70Fe10Ni20 в закрепленном слое.

Магнитоупругие свойства спиновых клапанов с разным межслойным взаимодействием

Взаимодействие ФМ-слоев в спиновом клапане характеризуется величиной сдвига середины низкополевой петли гистерезиса (Hj). Это взаимодействие является результатом конкуренции дипольного ферромагнитного, зависящего от шероховатости интерфейсов, и косвенного обменного, периодически изменяющегося с толщиной слоя меди (tCu) [25]. Шероховатость поверхности полимерной подложки и, следовательно, межслойных границ велика, поэтому преобладает дипольное взаимодействие. Его энергия снижается экспоненциально с увеличением tCu.

Обменное взаимодействие на границе закрепленного и антиферромагнитного слоев приводит к появлению эффективного поля, действующего на магнитный момент закрепленного слоя. Это взаимодействие характеризуется полем обменного сдвига (Hex), и определяемого по положению середины петли перемагничивания закрепленного слоя. В интервале Hj < H < Hex реализуется антипараллельное упорядочение магнитных моментов ФМ-слоев, и магнитосопротивление максимально.

Изменение толщины ФМ-слоев и слоя меди влияет на величину максимального магнитосопротивления и на поля сдвига Hj и Hex. При уменьшении толщины закрепленного слоя (tpin) величина Hex увеличивается. Уменьшение tCu приводит к возрастанию Hj.

В спиновых клапанах композиции [Ta(5 нм)/ NiFeCr(5 нм)]2/Co70Fe20Ni10(5.5 нм)/Cu(tCu)/ Co70Fe10Ni20(tpin)/FeMn(15 нм)/Ta(6 нм), tCu = 2.6–4 нм и tpin = 2.5–4 нм варьирование толщины направлено на получение разных величин Hj и Hex. Полевые зависимости магнитосопротивления измеряли для образцов в недеформированном состоянии и при ε > 0 и ε < 0 (r = 12 мм).

На рис. 4 показаны зависимости S от величины интервала Hex – Hj, характеризующего размер области плато на магниторезистивной кривой. В полях Hj < H < Hex магнитосопротивление максимально и взаимное расположение магнитных моментов ФМ-слоев близко к антипараллельному. Уменьшение ширины плато Hex – Hj приводит к возрастанию чувствительности S. Эта тенденция связана с тем, что, как отмечалось выше, при изгибе происходит изменение проекции приложенного поля на плоскость пленки. Соответственно, чем уже диапазон полей в котором магнитные моменты ФМ-слоев антипараллельны, тем значительнее уменьшение магнитосопротивления при изгибе.

Рис. 4.

Зависимость чувствительности магнитосопротивления к деформации от величины полевого интервала Hex – Hj при изгибе, соответствующем сжатию (а) и растяжению (б) пленки наноструктуры.

При ε < 0 чувствительность магнитосопротивления спиновых клапанов к деформации выше, чем при ε > 0. Вероятным объяснением может быть следующее. Если u || ОЛН || ООА, то при ε < 0 магнитоупругая анизотропия способствует разупорядочению, а при ε > 0 выстраиванию локальных моментов по отношению к ООА и ОЛН.

Несмотря на явно выраженную тенденцию изменения, на зависимостях S(Hex – Hj) имеется достаточно большой разброс экспериментальных точек. Это объясняется тем, что измерения проводили на образцах миллиметровых размеров. Большая шероховатость PI подложки приводит к различию магниторезистивных характеристик спинового клапана в разных участках пленки. Для объектов микронных размеров это различие значительно меньше.

Зависимость магниторезистивных характеристик микрополосок спинового клапана от деформации

Из пленок спинового клапана [Ta(5 нм)/NiFeCr(5 нм)]n/Co70Fe10Ni20(5.5 нм)/Cu(2.6 нм)/ Co70Fe10Ni20(4 нм)/FeMn(15 нм)/Ta(6 нм), где n = 5 и 7, были изготовлены микрообъекты. На рис. 5 показаны полевые зависимости электросопротивления микрополоски шириной 100 мкм до деформации, в деформированном состоянии (r = = 7.5 и 5.3 мм, u || ОЛН || ООА) и после возвращения в недеформированное состояние. В состоянии магнитного насыщения сопротивление микрообъекта практически не изменяется при деформации. Можно предположить, что изменения сопротивления при деформации в интервале полей, соответствующем плато на зависимости R(H), обусловлены в первую очередь изменением магнитного состояния наноструктуры. Важно отметить, что зависимости R(H), измеренные до деформации и после возвращения в недеформированное состояние, совпадают. Таким образом, в исследуемом диапазоне деформация является обратимой.

Рис. 5.

Полевые зависимости магнитосопротивления микрополоски шириной 100 мкм до деформации (темные треугольники), в состоянии деформации ε > 0 (сплошная и штриховая линии) и после возвращения в недеформированное состояние (светлые круги).

Для микрополосок разной ширины измеряли полевые зависимости магнитосопротивления с пошаговым увеличением деформации растяжения путем уменьшения r при u || ОЛН || ООА. После возвращения образца в недеформированное состояние магниторезистивные характеристики спинового клапана совпадали с измеренными до деформации. Зависимости Hj, Hex и максимальной величины магнитосопротивления от 1/r показаны на рис. 6. При увеличении деформации происходит уменьшение магнитосопротивления и увеличение полей сдвига Hj и Hex. Характер зависимостей не меняется с изменением ширины микрополосок.

Рис. 6.

Зависимости максимального магнитосопротивления и полей сдвига высоко- и низкополевой петель гистерезиса от обратного радиуса изгиба микрополосок ширины h. Светлыми и темными символами показаны данные для спиновых клапанов с n = 5 и 7 повторениями Ta/NiFeCr в буферном слое.

Для спинового клапана с более толстым буферным слоем (n = 7) получены меньшие величины магнитосопротивления из-за большего шунтирования тока. Увеличение толщины буферного слоя сглаживает поверхность PI подложки, что приводит к усилению обменного взаимодействия на границе Co70Fe10Ni20/FeMn и возрастанию Hex. С другой стороны, выравнивание поверхности подложки уменьшает шероховатость межслойных границ, энергия дипольного межслойного взаимодействия уменьшается, и для образца с n = 7 поля Hj меньше. Таким образом, для образцов с более толстым буферным слоем плато на магниторезистивной кривой шире, а чувствительность S ниже. Действительно, при n = 7 наклон зависимости ΔR/Rs(1/r) меньше.

Деформационная чувствительность спинового клапана при различном взаимном расположении вектора деформации и осей анизотропии

Показанные в предыдущем пункте результаты получены при u || ООА || ОЛН || H (рис. 7а). Рассмотрим, как меняются характеристики спинового клапана при другом взаимном расположении этих направлений.

Рис. 7.

Схематичное изображение взаимного расположения осей магнитной анизотропии спинового клапана, и деформации ε по отношению к оси микрополоски: а – u || (ОЛН || ООА); б – u ⊥ (ОЛН || ООА); в – u || ОЛН, ε ⊥ ООА.

Полевые зависимости магнитосопротивления микрополосок шириной 60 мкм спинового клапана [Ta(5 нм)/NiFeCr(5 нм)]7/Co70Fe10Ni20(5.5 нм)/ Cu(2.6 нм)/Co70Fe10Ni20(4 нм)/FeMn(15 нм)/Ta(6 нм) измеряли при деформации ε > 0 и разном направлении u по отношению к осям магнитной анизотропии (рис. 7). Перпендикулярное взаимное расположение ОЛН и ООА (рис. 7в) сформировано с помощью термомагнитной обработки микрообъекта. В процессе измерений H || ООА. При изгибе полоски изменение проекции H на плоскость пленки происходит только в случае, показанном на рис. 7а. На рис. 8 показаны полученные зависимости характеристик спиновых клапанов от 1/r.

Рис. 8.

Зависимости максимальной величины магнитосопротивления и полей сдвига низко- и высокополевой петель гистерезиса от обратного радиуса изгиба для микрополоски спинового клапана при разном взаимном расположении осей анизотропии и вектора деформации.

При u || (ОЛН || ООА) характер изменения характеристик спинового клапана аналогичен рассмотренному в предыдущем пункте.

Для образцов с u ⊥ ООА (рис. 7б, 7в) Hex уменьшается с увеличением деформации. Магнитоупругая энергия описывается выражением:

(3)
${{E}_{a}} = \frac{3}{2}{{\lambda }_{s}}\sigma {{\sin }^{2}}\Theta ,$
где λs – магнитострикция насыщения, Θ – угол между осью приложения механического напряжения σ и намагниченностью. Энергия E минимальна при Θ = 0. Таким образом, при u ⊥ ООА магнитоупругое взаимодействие приводит к отклонению локальных магнитных моментов от ООА на границе ферромагнетик/антиферромагнетик и уменьшению энергии обменного взаимодействия. Отметим, что в случае u || ООА поле Hex возрастает при увеличении деформации растяжения (рис. 6, 8).

Свободный слой спинового клапана представлен сплавом с нулевой магнитострикцией, тем не менее деформация вызывает заметные изменения сдвига (Hj) петли перемагничивания этого слоя. С увеличением ε поле Hj возрастает при u || ОЛН и уменьшается при u ⊥ ОЛН. Эти изменения поля межслойного взаимодействия, вероятно, вызваны соответствующей тенденцией упорядочения и разупорядочения локальных магнитных моментов в закрепленном слое.

При перпендикулярном взаимном расположении вектора деформации и одной или обеих осей анизотропии максимальное магнитосопротивление практически не меняется при деформации образца (рис. 8). Незначительную тенденцию к уменьшению (ΔR/Rs)max при u || ОЛН, u ⊥ ООА можно объяснить характером изменения полей сдвига высоко- и низкополевой петель гистерезиса. В данном случае Hj и Hex меняются так, что происходит уменьшение области плато на магниторезистивной кривой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано что использование 5–7 повторений композиции [Ta(5 нм)/NiFeCr(5 нм)] в буферном слое позволяет эффективно снизить влияние шероховатости полимерной подложки на магнитосопротивление и характер межслойного взаимодействия в спиновом клапане. Такой буферный слой при большой толщине обладает слабым эффектом шунтирования тока из-за большой величины удельного электросопротивления (217 мкОм см).

Наличие сплава с ненулевой магнитострикцией (Co70Fe10Ni20) в свободном слое спинового клапана приводит к смене моды перемагничивания этого слоя при изгибе образца. Показано, что спиновый клапан с низкострикционым сплавом в свободном и сплавом с ненулевой магнитострикцией в закрепленном ферромагнитном слое обладает большим магнитосопротивлением, слабым гистерезисом перемагничивания свободного слоя и высокой чувствительностью магнитосопротивления к деформации изгиба.

Обнаружено, что чувствительность магнитосопротивления спинового клапана к деформации изгиба снижается при увеличении полевого интервала между перемагничиванием свободного и закрепленного слоя. Эта зависимость может быть использована при выборе композиции спинового клапана, оптимальной для получения высокой или низкой деформационной чувствительности наноструктуры.

При деформации изгиба спинового клапана с низкострикционым сплавом в свободном и сплавом с ненулевой магнитострикцией в закрепленном ферромагнитном слое магнитосопротивление уменьшается, если вектор деформации параллелен оси однонаправленной анизотропии и не меняется при перпендикулярном взаимном расположении вектора деформации и оси однонаправленной анизотропии

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (тема “Спин” № АААА-А18-118020290104-2) при частичной поддержке РФФИ (проект № 20-42-660018 р_а).

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

Список литературы

  1. Zhou L., Wanga A., Wu S-Ch., Sun J., Park S., Thomas N. Jackson T.N. All-organic active matrix flexible display // Appl. Phys. Lett. 2006. № 88. P. 083502.

  2. Kim D.-H., Lu N., Ma R., Kim U.-S., Kim R.-H., Wang S., Wu J., Won S.M., Tao H., Islam A., Yu K.J., Kim T., Chowdhury R., Ying M., Xu L., Li M., Chung H.-J., Keum H., McCormick M., Liu P., Zhang Y.-W., Omenetto F.G., Huang Y., Coleman T., Rogers J.A. Epidermal Electronics // Science. 2011. № 333. P. 838–843.

  3. Hattori Y., Falgout L., Lee W. Multifunctional Skin-Like Electronics for Quantitative, Clinical Monitoring of Cutaneous Wound Healing // Adv. Healthcare Mater. 2014. № 3. P. 1597–1607.

  4. Krebs F.C., Gevorgyan S.A., Alstrup J. A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture andoperational stability studies // J. Mater. Chem. 2009. № 30. P. 5442–5451.

  5. Fan Z., Razavi H., Javey A. Three-dimensional nanopillar-array photovoltaics on low-cost and flexible substrates // Nat. Mater. 2009. № 8. P. 648–653.

  6. Liang J., Li L., Niu X., Yu Z., Pei Q. Elastomeric polymer light-emitting devices and displays // Nat. Photonics. 2013. № 7. P. 817–824.

  7. Kim D.-H., Lu N., Ghaffari R., Kim Y.-S., Lee S. P., Xu L., Wu J., Kim R.-H., Song J., Liu Z., Viventi J., De Graff B., Elolampi B., Mansour M., Slepian M.J., Hwang S., Moss J.D., Won S.-M., Huang Y., Litt B., Rogers J.A. Materials for multifunctional balloon catheters with capabilities in cardiac electrophysiological mapping and ablation therapy // Nat. Mater. 2011. № 10. P. 316–323.

  8. Nomura K., Ohta H., Takagi A., Kamiya T., Hirano M., Hosono H. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin film transistors using amorphous oxide semiconductors // Nature. 2004. № 432. P. 488–492.

  9. Kim J., Chung S.E., Choi S.-E., Lee H., Kim Junhoi, Kwon S. Programming magnetic anisotropy in polymeric microactuators // Nat. Mater. 2011. № 10. P. 747–52.

  10. Choi M.C., Kim Y.K., Ha C.S. Polymers for flexible displays: From material selection to device applications // Prog. Polym. 2008. № 33. P. 581–630.

  11. Sheng P., Wang B., Li R. Flexible magnetic thin films and devices // Journal of Semiconductors January 2018. V. 39. № 1. P. 011006(1–13).

  12. Liu Yiwei, Zhan Qingfeng, Li Run-Wei Fabrication, properties, and applications of flexible magnetic films // Chin. Phys. B. 2013. V. 22. № 12. P. 127502.

  13. Melzer M., Makarov D., Schmidt O.G. A review on stretchable magnetic field sensorics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2019. V. 53. P. 083002 (34 p.).

  14. Ota S., Ando A., Chiba D. A flexible giant magnetoresistive device for sensing strain direction // Nature electronics. 2018. № 1. P. 124–129.

  15. Asai R., Ota S., Namazu T., Takenobu T., Koyama T., Chiba D. Stress-induced large anisotropy field modulation in Ni films deposited on a flexible substrate // J. Appl. Phys. 2016. № 120. P. 083906.

  16. Zhang X., Zhan Q., Dai G., Liu Y., Zuo Z., Yang H., Chen B., Li R. Effect of mechanical strain on magnetic properties of flexible exchange biased FeGa/IrMn heterostructures // Appl. Phys. Lett. 2013. № 102. P. 022412.

  17. Lohndorf S., Dokupil J., Wecker M., Ruhrig M., Quandt E. Characterization of magnetic tunnel junctions (MTJ) with magnetostrictive free layer materials // J. Magn. Magn. Mater. 2004. № 2023. P. 272–276.

  18. Fuji Y., Hara M., Higashi Y., Kaji S., Masunishi K., Nagata T., Yuzawa A., Otsu K., Okamoto K., Baba S., Ono T., Hori A., Fukuzawa H. An Ultra-sensitive Spintronic Strain-gauge Sensor and a Spin-MEMS Microphone // IEEJ Transactions on Sensors. 2018. № 138. P. 287–293.

  19. Ota S., Ando A., Chiba D. A flexible giant magnetoresistive device for sensing strain direction // Nat. Electron. 2018. № 1. P. 124.

  20. Guo Q., Xu X.G., Zhang Q.Q., Liu Q., Wu Y.J., Zhou Z.Q., Zhu W.M., Wu Y., Miao J., Jiang Y. Strain-controlled giant magnetoresistance of a spin valve grown on a flexible substrate // RSC Adv. 2016. № 6. P. 88090.

  21. Chen A., Zhao Y., Li P., Zhang X., Peng R., Huang H., Zou L., Zheng X., Zhang S., Miao P., Lu Y., Cai J., Nan C. Angular Dependence of Exchange Bias and Magnetization Reversal Controlled by Electric-Field-Induced Competing Anisotropies // Adv. Mater. 2016. № 28. P. 363.

  22. Mamin H.J., Gurney G.A., Wilhoit D.R., Speriosu V.S. A flexible exchange-biased spin valve for sensing strain direction // Appl. Phys. Lett. 1998. № 72. P. 3320.

  23. Cardoso S., Leitao D.C., Dias T.M., Valadeiro J., Silva M.D., Chicharo A., Silverio V., Gaspar J., Freitas P.P. Challenges and trends in magnetic sensor integration with microfluidics for biomedical applications // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. P. 213001.

  24. Shen H.-M., Hu L., Fu X. Integrated Giant Magnetoresistance Technology for Approachable Weak Biomagnetic Signal Detections // Sensors. 2018. V. 50. № 18. P. 148.

  25. Kools J.C.S. Exchange-Biased Spin-Valves for Magnetic Storage // IEEE Trans. on Magn. 1996. V. 32. № 4. P. 3165–3184.

  26. Milyaev M.A., Bannikova N.S., Naumova L.I., Proglyado V.V., Patrakov E.I., Glazunov N.P., Ustinov V.V. Effective Co-rich ternary CoFeNi alloys for spintronics application // J. Alloys and Compounds. 2021. V. 854. P. 1–7.

  27. Наумова Л.И., Миляев М.А., Заворницын Р.С., Павлова А.Ю., Максимова И. К., Криницина Т.П., Чернышова Т.А., Проглядо В.В., Устинов В.В. Высокочувствительные сенсорные элементы на основе спиновых клапанов с антиферромагнитным межслойным взаимодействием // ФММ. 2019. Т. 120. № 7. С. 710–716.

  28. Fukuzawa H., Iwasaki H., Koi K., Sahashi M. Soft magnetic characteristics of an ultrathin CoFeNi free layer in spin-valve films // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 298. P. 65–71.

  29. Zhang Y., Zhang M., Li D., Zuo T., Zhou K., Gao M., Sun B., Shen T. Compotional Design of soft magnetic high entropy alloys by minimizing magnetostriction coefficient in (Fe0.3Co0.5Ni0.2)100 – x(Al1/3Si2/3)x system // Metals. 2019. V. 9. № 3. P. 382. doi:10.3390/met9030382

  30. Meguro K., Hirano S., Jimbo M., Tsunashima S., Uchiyama S. Composition dependence magnetoresistance effect in NiFeCo/Cu multilayers // J. Magn. Magn. Matter. 1995. № 140e144. P. 601e602.

  31. Duenas T., Sehrbrock A., ohndorf M.L., Ludwig A., Wecker J., Grunbergc P., Quandt E. Micro-sensor coupling magnetostriction and magnetoresistive phenomena // JMMM. 2002. № 242–245. V. 2. P. 1132–1135.

  32. Liu L., Zhan Q., Yang H., Li H., Zhang S., Liu Y., Wang B., Tan X., Li R. Magnetostrictive GMR spin valves with composite FeGa/FeCo free layers // AIP Adv. 2016. № 6. P. 035206.

  33. Kwon J.-H., Kwak W.-Y., Ki Cho B. Magnetization Manipulation of a Flexible Magnetic Sensor by Controlled Stress Application // Scientific reports. 2018. V. 8. № 15765. P. 1–9.

  34. Kwon J.-H., Kwak W.-Y., Choi H.Y., Kim G.H., Cho B.K. Effects of repetitive bending on the magnetoresistance of a flexible spin-valve // J. Appl. Phys. 2015. № 117. P. 17E120.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика металлов и металловедение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал