Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 9, стр. 1256-1259

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время исследования в области преобразования механической деформации являются актуальной научной проблемой, одним из возможных решений которой является научное направление, основанное на объединение магниторезистивного и магнитострикционного эффекта в единой наноструктуре, получившее название магнитной стрейнтроники [1–5].

Механические напряжения наноструктур в элементах магнитной стрейнтроники приводят к изменению магнитных свойств данных наноструктур [6]. Следовательно, в наноструктурах с объединенными в комплекс магнитострикционными и магниторезистивными слоями можно установить зависимость между наведенными механическими деформациями и выходным электрическим сигналом.

В устройствах, основанных на магниторезистивном эффекте величина магнитосопротивления чувствительна к изменению магнитных свойств наноструктуры в соответствие с величиной магниторезистивного эффекта. Если эта наноструктура связана с другой магнитной наноструктурой с магнитострикционными свойствами, то устройство становится чувствительным к механическим деформациям, что позволяет расширить функциональную область применения подобных материалов для ряда устройств.

Известно, что механическая деформация до 230 МПа наноструктур Ta/[FeNiCo/CoFe]₆/Ta, с равным содержанием магнитострикционных и магниторезистивных слоев, приводит к изменению величины анизотропного магниторезистивного (АМР) эффекта до 1.1% [4]. Таким образом, экспериментально подтверждена возможность применения подобных наноструктур в элементах магнитной стрейнтроники, в которых внешнее воздействие приводит к механической деформации сжатия или растяжения тонкопленочного чувствительного элемента, и к изменению магнитосопротивления.

С целью исследования возможности повышения величины магниторезистивного эффекта за счет увеличения количества периодов [FeNiCo/CoFe] в наноструктуре были проведены исследования многослойных наноструктур магнитной стрейнтроники Ta/[FeNiCo/CoFe]_х/Ta, состоящих из магнитострикционного слоя CoFe и магниторезистивного слоя FeNiCo.

Многослойные периодические наноструктуры Ta/[FeNiCo/CoFe]_х/Ta изготовлены в НПК “Технологический центр”. Интерес к подобным наноструктурам вызван поисковыми работами по определению оптимальных наноструктур для применения в элементах магнитной стрейнтроники на основе магниторезистивного и магнитострикционного эффектов.

ТЕХНОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Формирование наноструктур Ta/[FeNiCo/ CoFe]_х/Ta выполнялось методом магнетронного напыления на пластинах окисленного кремния диаметром 100 мм и толщиной 0.46 мм. В качестве буферного, а также защитного покрытия формировался верхний и нижний слой Та. Ось легкого намагничивания (ОЛН) в наноструктурах формировалась в процессе магнетронного напыления под воздействием постоянного магнитного поля величиной ~100 Э в плоскости подложки.

Магнитные параметры изготовленных наноструктур измерялись как в состоянии механической деформации сжатия, так и без механической нагрузки, на специализированной измерительной установке MESA-200 [5]. 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. Установка MESA-200 позволяет измерять магнитные параметры магниторезистивных наноструктур в составе кремниевых пластин, в постоянном и переменном магнитном поле до 80 кА/м.

Дальнейшие исследования наноструктур магнитной стрейнтроники проводились на образцах размером 4 × 20 мм², ОЛН в которых направлена вдоль или под 45° к длинной стороне образца, с целью измерения величины АМР эффекта в условиях меняющейся механической деформации. Механическая часть установки, создающая деформации сжатия–растяжения образца, состоит из шагового двигателя линейного перемещения с шагом 7.94 мкм, обеспечивающего механическое давление на образец до 10 Н, которое контролируется тензодатчиком сжатия-растяжения, и двух катушек Гельмгольца, создающих магнитное поле до 300 Э.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследовано три типа наноструктур Ta/[FeNiCo/ CoFe]_х/Ta со следующим количеством периодов:

– Ta/[FeNiCo/CoFe]₃/Ta,

– Ta/[FeNiCo/CoFe]₆/Ta,

– Ta/[FeNiCo/CoFe]₉/Ta.

Зависимость перемагничивания В(Н) наноструктуры Ta/[FeNiCo/CoFe]₆/Ta, 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 петли перемагничивания меняется, при этом коэрцитивность структуры увеличивается от 1.5 до 3 Э. При приложении сжимающих напряжений перпендикулярно ОЛН коэрцитивность увеличивается с 15 до 18 Э, что, однако не приводит к существенному изменению петли перемагничивания.

Рис. 1.

Зависимость В(Н) наноструктуры Ta/[FeNiCo/ CoFe]₆/Ta, в условиях наличия/отсутствия механической деформации.

На рис. 2 представлена характерная зависимость АМР эффекта структуры в свободном и деформированном состоянии сжатия (100, 170 и 235 МПа) от величины внешнего магнитного поля. Образцы размером 4 × 20 мм² предварительно подвергались отжигу 250°С в магнитном поле 1000 Э в течение 15 мин. Для исследованного образца, с ОЛН вдоль длинной стороны, в отсутствии механической нагрузки определен АМР эффект 0.01%. При воздействии механической нагрузки 235 МПа АМР эффект достигает 1.27%. Таким образом, относительное изменение сопротивления, обусловленное нагрузкой (∆R/R)_σ составляет 1.26%.

Рис. 2.

Результаты измерения АМР эффекта, в условиях наличия/отсутствия механической нагрузки.

Зависимость изменения сопротивления обусловленного механической нагрузкой (∆R/R)_σ от величины сжимающих механических напряжений, для образца с ОЛН вдоль длинной стороны, представлена на рис. 3а. Смещение линейного участка графика в область высоких механических напряжений можно объяснить на основе модели обменно-упругого взаимодействия на границе раздела ферромагнитных слоев с разной коэрцитивностью [7, 8].

Рис. 3.

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

В результате исследования образцов с ОЛН вдоль длинной стороны установлено, что максимальная величина АМР эффекта 1.0% при механической деформации сжатия определяется для наноструктуры Ta/[FeNiCo/CoFe]₃/Ta.

Зависимость изменения сопротивления обусловленного механической нагрузкой (∆R/R)_σ от величины механического напряжения сжатия-растяжения ±170 МПа для наноструктуры с ОЛН под углом 45° к длинной стороне образца представлена на рис. 3б.

На рис. 3б представлены три графика зависимости величины относительного изменения сопротивления, обусловленного нагрузкой (ΔR/R)_σ от величины механической деформации сжатия-растяжения σ для трех многослойных наноструктур Ta/[FeNiCo/CoFe]_х/Ta. Полная величина относительного изменения сопротивления, обусловленного механической нагрузкой, для исследованных наноструктур составляет:

– Ta/[FeNiCo/CoFe]₃/Ta – 1.3%,

– Ta/[FeNiCo/CoFe]₆/Ta – 1.7%,

– Ta/[FeNiCo/CoFe]₉/Ta – 1.5%.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что количество периодов [FeNiCo/CoFe] в структуре существенно не влияет на величину (ΔR/R)_σ – относительного изменения сопротивления, обусловленного механической нагрузкой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы многослойные периодические наноструктуры, содержащие магнитострикционные и магниторезистивные слои, определена зависимость величины АМР эффекта наноструктур и зависимость относительного изменения сопротивления, обусловленного нагрузкой от величины контролируемой механической деформации.

На основе проведенного экспериментального исследования многослойных наноструктур Ta/[FeNiCo/CoFe]_х/Ta, с разным числом периодов [FeNiCo/CoFe] установлено, что количество периодов в структуре существенно не влияет на величину относительного изменения сопротивления, обусловленного механической нагрузкой сжатия-растяжения наноструктуры – данные величины для трех образцов отличается не более чем на 15%. При механической деформации сжатия, приложенной к наноструктурам, максимальный эффект проявляет Ta/[FeNiCo/CoFe]₃/Ta, достигая величины 1%, величина эффекта двух других наноструктур составляет ~0.5%.

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