Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1550-1553

ВВЕДЕНИЕ

Научные исследования в области спинтроники, как и феномена магниторезистивного эффекта, являются актуальным направлением, которое охватывает все больше смежных с ней научных областей микро- и наноэлектроники, к одним из которых относят технологии магнитоэлектрических материалов и магнитную стрейнтронику.

Для магнитной стрейнтроники определенный интерес представляют материалы, сочетающие в себе высокие магнитострикционные и магниторезистивные свойства. В связи с этим проведено исследование многослойного нанокомпозита, содержащего в определенном соотношении магниторезистивный и магнитострикционный материалы. Тонкие слои FeNiCo обладают высоким анизотропным магниторезистивным (АМР) эффектом (~2–4%) и низким значением коэффициента магнитострикции [1, 2]. В слоях Co₅₀Fe₅₀ наблюдается низкий АМР эффект (~0.3%) и значительный магнитострикционный эффект [1–5]. Можно предположить, что многослойный нанокомпозит на основе этих материалов будет сочетать в себе свойства высокого коэффициента магнитострикции и АМР эффекта.

Для исследования свойств многослойной периодической наноструктуры на основе ферромагнитных нанослоев CoFe и FeNiCo, была разработана тонкопленочная многослойная наноструктура Ta/[FeNiCo/CoFe]₆/Ta, изготовленная в НПК “Технологический центр”.

Интерес к данной наноструктуре вызван, прежде всего, поиском оптимальной структуры для элементов магнитной стрейнтроники на основе магниторезистивного и магнитострикционного эффекта. Также представляет интерес фундаментальное научное исследование данной периодической наноструктуры и ее потенциальных применений в магнитополупроводниковой наноэлектроники.

ТЕХНОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Многослойная периодическая структура Ta/[FeNiCo/CoFe]₆/Ta формировалась на пластинах окисленного кремния диаметром 100 мм с толщиной 0.46 мм методом магнетронного напыления. Толщины ферромагнитных слоев FeNiCo и CoFe составляли 3 нм. Слои Та толщиной 3 нм использовались в качестве буферного и защитного покрытия. Ось легкого намагничивания (ОЛН) в наноструктурах формировалась в процессе напыления под влиянием постоянного магнитного поля величиной ~100 Э в плоскости подложки.

Сформированные наноструктуры на кремниевых подложках использовались для исследования магнитных параметров как в состоянии механической деформации сжатия, так и без механической нагрузки, на специализированной измерительной установке [2, 6]. При исследовании образцов в установке подавалось контролируемое механическое напряжение, которое приводило к деформации (сжатия) наноструктуры на кремниевой подложке, при этом направление этих напряжений перпендикулярно магнитному полю, создаваемому установкой.

После исследования наноструктуры в целом на пластине проводилось исследование на образцах размером 4 × 20 мм², ОЛН в которых направлена вдоль длинной стороны образца или под 45° – измерение величины АМР эффекта в условиях меняющейся механической нагрузки. Измерение АМР эффекта проводилось двухзондовым методом – установка имеет в своей конструкции устройство для создания механических деформаций в образце [6]. В поверхностном слое образца со стороны зондов создается контролируемое механическое напряжение сжатия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Зависимость перемагничивания В(Н) наноструктуры представлена на рис. 1. Из рисунка следует, что в исходном состоянии в наноструктуре наблюдается магнитная анизотропия. При приложении к образцу деформации сжатия вдоль ОЛН форма кривой перемагничивания меняется, при этом коэрцитивность структуры увеличивается с 5 до 10 Э. Приложение сжимающих напряжений перпендикулярно ОЛН не приводит к существенному изменению формы кривой перемагничивания.

Рис. 1.

Зависимость В(Н) многослойной исходной наноструктуры в условиях наличия/отсутствия механической деформации.

На рис. 2а представлена характерная зависимость АМР эффекта структуры в свободном и деформированном состоянии сжатия (200 МПа) от величины внешнего магнитного поля. Образцы размером 4 × 20 мм² предварительно подвергались термомагнитному отжигу 250°С при 1000 Э в течение 15 мин. Для исследованного образца, с ОЛН вдоль длинной стороны, в отсутствии механической нагрузки определен АМР эффект 0.04% при коэрцитивной силе ~10 Э. При воздействии механической нагрузки АМР эффект увеличился до 0.8%, а значение коэрцитивной силы составило ~5 Э. Таким образом, относительное изменение сопротивления, обусловленное нагрузкой (∆R/R)_σ составляет 0.75%.

Рис. 2.

Результаты измерения анизотропного магниторезистивного эффекта, в условиях наличия/отсутствия механической нагрузки. Cжатие: 1 – без механической деформации, 2 – с механической деформацией (а); сжатие–растяжение: 1 – с механической деформацией растяжения, 2 – без механической деформации, 3 – с механической деформацией сжатия (б).

На рис. 2б представлена зависимость АМР эффекта для образца, в котором ОЛН направлена под углом 45° к длинной стороне образца. Максимально допустимые для данной подложки напряжения сжатия/растяжения соответствуют ±250 МПа. Более высокие напряжения связаны с риском разрушения кремниевой подложки. Соотношение соответствующих осей представлено во вставке к рис. 2б.

В образце без приложения механической деформации регистрируется магниторезистивный эффект 0.7% при коэрцитивности 17.5 Э. Под влиянием механической деформации сжатия 230 МПа магниторезистивный эффект наноструктуры увеличивается до 1.3%, а коэрцитивность возрастает до 20.7 Э. При приложении к образцу механической деформации растяжения 230 МПа магниторезистивный эффект снижается до 0.1%, а коэрцитивность увеличивается до 19.4 Э. Из этого следует, что относительное изменение сопротивления, обусловленное нагрузкой (∆R/R)_σ составляет 1.2%.

Зависимость изменения сопротивления обусловленного механической нагрузкой (∆R/R)_σ от величины механического напряжения сжатия, для образца с ОЛН вдоль длинной стороны, представлена на рис. 3а.

Рис. 3.

График зависимости величины относительного изменения сопротивления, обусловленного нагрузкой (ΔR/R)_σ от величины механических напряжений σ: механическая деформация сжатия (а), механическая деформация сжатия–растяжения (б).

Характерной особенностью данной зависимости является смещение линейного участка графика в область более высоких напряжений. Такой эффект может быть объяснен на основе модели обменно-упругого взаимодействия на границе раздела ферромагнитных слоев с разной коэрцитивностью [7–9].

Зависимость изменения сопротивления обусловленного механической нагрузкой (∆R/R)_σ от величины механического напряжения сжатия и растяжения ±230 МПа, для наноструктуры с ОЛН под углом 45° к длинной стороне образца, представлена на рис. 3б. Из рисунка следует, что наноструктура реагирует как на механическую деформацию сжатия, так и на растяжение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы получены и исследованы тонкопленочные наноструктуры Ta/[FeNiCo/ CoFe]₆/Ta, содержащие магнитострикционный слой CoFe и магниторезистивный слой FeNiCo в равных объемных долях. В результате исследования образцов установлено, что контролируемая механическая деформация таких наноструктур приводит к изменению величины АМР эффекта до 1.1%.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность применения многослойной наноструктуры в качестве чувствительного элемента в устройствах магнитной стрейнтроники, где в качестве внешнего воздействующего фактора может выступать как механическая деформация сжатия, так и растяжения, что значительно расширяет функциональный диапазон подобных наноструктур в устройствах преобразования деформаций на основе магнитной стрейнтроники.

Исследование параметров наноструктур осуществлялось с использованием оборудования ЦКП “Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники” на базе НПК “Технологический центр”.