柔性襯底上Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜交換偏置效應(yīng)研究

焦志偉,王映棋,吳磊磊,姜偉棣,丁志謙,周 云,張冬芹,杜建華

(中國計(jì)量大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著科技和自旋電子學(xué)的發(fā)展，人們開始重視電子的自旋特性并將其應(yīng)用到信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，這使得半導(dǎo)體工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，從而廣泛的應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)和人們的生活中。半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展促成了印制電路板的出現(xiàn)，作為一種擁有著較高生產(chǎn)效率的電子部件，印制電路板很快被應(yīng)用到各種領(lǐng)域，而作為一種不能夠卷曲和拉伸的剛性電子部件，它受到了很多的制約。于是，人們開始注重柔性電子的研究。由于柔性電子能夠利用剛性電子器件中的規(guī)律和結(jié)論并加以創(chuàng)新，因此有著較快的發(fā)展速度和廣闊的發(fā)展空間。研究人員對(duì)于柔性電子學(xué)的研究也開始滲透到多個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)得到了許多成果[1-5]。

磁性材料作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重要部分，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到諸如揚(yáng)聲器、制動(dòng)機(jī)、磁盤和自動(dòng)機(jī)等設(shè)備當(dāng)中[6-11]。柔性電子器件研究中的一個(gè)重要部分便是對(duì)于柔性襯底上制備的磁性薄膜與器件的研究，將薄膜與器件制備在柔性襯底上可以利用其可卷曲拉伸的特點(diǎn)，將平面研究延伸到曲面研究上。這種柔性磁電子器件還具備低成本的特點(diǎn)，因此在諸多領(lǐng)域都可以得到廣泛的應(yīng)用。

近年來，人們借助柔性襯底上磁性薄膜與器件的發(fā)展，開始對(duì)沉積在柔性襯底上的薄膜的磁各向異性進(jìn)行研究。例如，Dai等人在研究聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)上沉積的Fe81Ga19時(shí)發(fā)現(xiàn)，PET被施加應(yīng)變后會(huì)有殘余的應(yīng)力，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)單軸磁各向異性[12]。Zhang等人在研究PET上沉積的Fe81Ga19/IrMn時(shí)發(fā)現(xiàn)，交換偏置場(chǎng)會(huì)受到應(yīng)力對(duì)薄膜的作用而發(fā)生變化[13]。Zuo等人在研究鐵電襯底聚偏氟乙烯(PVDF)上沉積的FeGa時(shí)發(fā)現(xiàn)，薄膜在被施加了電場(chǎng)以后出現(xiàn)了面內(nèi)單軸磁各向異性[14]。

交換偏置場(chǎng)是Meiklejohn和Bean發(fā)現(xiàn)的，他們?cè)趯?duì)Co/CoO雙層膜核殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)磁滯回線沿著磁場(chǎng)軸的負(fù)方向發(fā)生了平移[15-16]。這種現(xiàn)象被稱為交換偏置效應(yīng)，磁滯回線的偏移量被稱為交換偏置場(chǎng)(Heb)[17-18]。Heb與矯頑力HC的計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：HC1表示磁滯回線的前支矯頑力，HC2表示磁滯回線的后支矯頑力。

到目前為止，研究人員對(duì)于鐵鎳/鎳錳和鐵鎳/鎳錳/鐵鎳兩種系統(tǒng)的研究都是在以剛性襯底作為基底的前提下進(jìn)行的，這其中包括我們課題組所做的相關(guān)有意義的工作：鐵磁層居里溫度低于反鐵磁層奈耳溫度所構(gòu)成的磁性薄膜的交換偏置效應(yīng)；鐵鎳/鎳錳/鐵鎳三層膜中的每一層以及測(cè)量溫度和冷卻場(chǎng)對(duì)交換偏置場(chǎng)的影響[19-25]。

在本文中，我們分別在硅片剛性襯底和聚酰亞胺(PI)柔性襯底上制備了Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜，并研究了鐵磁層厚度、反鐵磁層厚度和測(cè)量溫度對(duì)交換偏置場(chǎng)和矯頑力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和使用儀器

本文中用到的材料有：Ta靶材(厚度3 mm，直徑60 mm，純度99.99%)、Ni81Fe19靶材(厚度2 mm，直徑60 mm，純度99.99%)和Ni50Mn50靶材(厚度2 mm，直徑60 mm，純度99.99%)均購自合肥科晶材料技術(shù)有限公司；晶相為(100)的單晶硅片購自中諾新材(北京)科技有限公司；聚酰亞胺膠帶購自深圳市昌達(dá)祥電子有限公司；釹鐵硼永磁體購自深圳市云輝樂古電子有限公司。

薄膜樣品的制備采用的是購自沈陽科儀公司設(shè)計(jì)的JGP560C19多功能超高真空磁控濺射儀；薄膜樣品的測(cè)試采用的是購自Quantum Design公司設(shè)計(jì)的多功能振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(Versalab)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在室溫條件下分別在硅襯底和PI襯底上直流濺射沉積了Ta(15 nm)/NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)/Ta(8 nm)、Ta(15 nm)/NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)/Ta(8 nm)樣品。濺射使用的靶材有Ni81Fe19、Ni50Mn50和Ta，三個(gè)靶材的純度均高于99.99%。濺射的過程中氬氣壓強(qiáng)始終保持在0.4 Pa，背景真空度優(yōu)于7×10-4Pa，NiFe和NiMn的濺射功率為35 W、Ta的濺射功率為30 W，NiFe的沉積速率為0.16 nm/s，NiMn的沉積速率為0.15 nm/s，Ta的沉積速率為0.13 nm/s。每一個(gè)樣品在制備前都要先沉積15 nm的Ta作為緩沖層，制備結(jié)束后都要先沉積8 nm的Ta作為保護(hù)層防止樣品氧化。由于PI的耐高溫性不強(qiáng)，選擇230 ℃作為所有樣品的退火溫度，退火時(shí)間為1 h，且退火過程中不施加磁場(chǎng)。

測(cè)量樣品磁滯回線的具體過程為：將樣品加熱至390 K，施加3 000 Oe平行于薄膜表面的冷卻場(chǎng)，降溫至待測(cè)溫度，測(cè)量薄膜磁滯回線的磁場(chǎng)范圍為-2 500～+2 500 Oe，以10 Oe為一個(gè)步長。為了減少誤差，每個(gè)樣品都測(cè)量3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵磁層厚度的影響

為了探究硅片和柔性襯底上鐵鎳/鎳錳薄膜中的鐵磁層厚度對(duì)交換偏置場(chǎng)的影響，制備了一系列NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)薄膜，并分別測(cè)量了薄膜的磁滯回線。圖1給出了鐵磁層厚度為12 nm和15 nm時(shí)兩種襯底上薄膜的磁滯回線，其中圖1(a)和(c)中的插圖是磁滯回線中央部分的放大曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵磁層厚度為12 nm時(shí)，磁滯回線的偏移程度要大于厚度為15 nm時(shí)的；鐵磁層厚度為12 nm時(shí)矯頑力的數(shù)值也要大于厚度為15 nm時(shí)的。

圖1 Si和PI襯底上不同鐵磁層厚度Ni81Fe19/Ni50Mn50薄膜的M-H曲線Figure 1 M-H curves of Ni81Fe19/Ni50Mn50 films with different ferromagnetic layer thicknesses on Si and Pi substrates

圖2分別表示了兩種襯底上薄膜的交換偏置場(chǎng)和矯頑力對(duì)鐵磁層厚度的依賴性，圖2(a)中可以看出，交換偏置場(chǎng)在兩種襯底上的數(shù)值相差甚小，且隨著鐵磁層厚度的增大而不斷減小，直至減小為0；圖2(b)中可以看出，襯底為PI時(shí)的矯頑力始終大于襯底為硅片時(shí)的。鐵磁層厚度不超過27 nm時(shí)，PI上薄膜的HC約為硅片上薄膜HC的1.6倍。隨著鐵磁層厚度的增大，矯頑力不斷減小。

圖2 兩種襯底上NiFe(tNiFe)/NiMn(15 nm)薄膜的交換偏置場(chǎng)和矯頑力隨鐵磁層厚度的變化曲線Figure 2 Exchange bias field and coercivity of NiFe (tNiFe)/NiMn (15 nm) films on twokinds of substrates as a function of the thickness of antiferromagnetic layer

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鐵鎳/鎳錳薄膜的Heb不會(huì)隨襯底的變化而變化，而由于金屬薄膜和柔性襯底之間的熱擴(kuò)散系數(shù)不匹配，會(huì)使得它們?cè)跒R射的過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致HC比在剛性襯底上濺射時(shí)大[13,26]。實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了Heb和HC的大小和鐵磁/反鐵磁薄膜的界面耦合有關(guān)，而且鐵磁層的厚度越大，界面耦合能越小，這個(gè)結(jié)論在硅片襯底和PI襯底上都適用。

2.2 反鐵磁層厚度的影響

為了探究硅片和柔性襯底上鐵鎳/鎳錳薄膜中的反鐵磁層厚度對(duì)交換偏置場(chǎng)的影響，制備了一系列NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)薄膜，并分別測(cè)量了薄膜的磁滯回線。圖3給出了反鐵磁層厚度為10 nm和20 nm時(shí)兩種襯底上薄膜的磁滯回線，其中圖3(a)和(c)中的插圖是磁滯回線中央部分的放大曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反鐵磁層厚度為10 nm時(shí)，磁滯回線的偏移程度要大于厚度為20 nm時(shí)的；反鐵磁層厚度為10 nm時(shí)矯頑力的數(shù)值也要大于厚度為20 nm時(shí)的。

圖3 Si和PI襯底上不同反鐵磁層厚度薄膜的M-H曲線Figure 3 M-H curves of films with different antiferromagnetic layer thicknesses on Si and Pi substrates

圖4分別表示了兩種襯底上薄膜的交換偏置場(chǎng)和矯頑力對(duì)反鐵磁層厚度的依賴性，圖4(a)中可以看出，交換偏置場(chǎng)在兩種襯底上的數(shù)值相差甚小，且隨著反鐵磁層厚度的增大，Heb先增大后減小最后不變；圖4(b)中可以看出，襯底為PI時(shí)的矯頑力始終大于襯底為硅片時(shí)的，且隨著反鐵磁層厚度的增大，HC先增大后減小最后不變。

圖4 兩種襯底上NiFe(15 nm)/NiMn(tNiMn)薄膜的交換偏置場(chǎng)和矯頑力隨反鐵磁層厚度的變化曲線Figure 4 Exchange bias field and coercivity of NiFe (15 nm)/NiMn (tNiMn) films on two kinds of substrates as a function of the thickness of antiferromagnetic layer

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鐵鎳/鎳錳薄膜的Heb和HC對(duì)反鐵磁層厚度的依賴關(guān)系不再是單調(diào)的，這是由于系統(tǒng)中反鐵磁層厚度有一臨界值，該臨界值介于10 nm到15 nm之間，當(dāng)反鐵磁層厚度小于該值時(shí)，反鐵磁層的各向異性能很小，不足以控制鐵磁層中較多磁矩的翻轉(zhuǎn)；當(dāng)反鐵磁層厚度大于該值時(shí)，反鐵磁層中開始有較多能夠控制鐵磁層中自旋的未補(bǔ)償自旋，Heb和HC隨著反鐵磁層厚度的增加而增加；而反鐵磁層厚度過大時(shí)，鐵磁層中沒有多余的自旋翻轉(zhuǎn)，這會(huì)導(dǎo)致Heb和HC的減小[24,27]。

2.3 測(cè)量溫度對(duì)交換偏置效應(yīng)的影響

為了探究PI上鐵磁/反鐵磁雙層膜中的測(cè)量溫度對(duì)Heb和HC的影響，制備了NiFe(15 nm)/NiMn(15 nm)、NiFe(15 nm)/NiMn(20 nm)薄膜，并分別測(cè)量了薄膜的磁滯回線。圖5給出了Heb和HC對(duì)測(cè)量溫度的依賴曲線，圖5(a)中可以看出，隨著測(cè)量溫度的升高，Heb不斷減小，當(dāng)測(cè)量溫度高于截止溫度(160 K)時(shí)，由于AFM的各向異性不大，磁矩會(huì)隨著外場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，因此不會(huì)再產(chǎn)生交換偏置現(xiàn)象；圖5(b)中可以看出，隨著測(cè)量溫度的升高，HC不斷減小，測(cè)量溫度高于160 K時(shí)，兩種厚度薄膜的矯頑力大小基本相同。

圖5 PI襯底上NiFe(15 nm)/NiMn(15，20 nm)薄膜樣品的交換偏置場(chǎng)和矯頑力隨測(cè)量溫度的變化曲線Figure 5 Change curves of the film exchange bias field and coercivity of NiFe (15 nm)/NiMn (15, 20 nm) on PI substrate with measured temperature

3 結(jié) 語

過去對(duì)于Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜體系的研究都是在如同硅片這樣的剛性襯底上進(jìn)行的，而從來沒有在如同PI這樣的柔性襯底上嘗試過。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，雖然Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜體系的Heb不會(huì)因?yàn)橐r底發(fā)生改變而改變，但這給自旋電子學(xué)器件制作成柔性器件提供了可能性；同時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)不匹配導(dǎo)致的薄膜與柔性襯底間的內(nèi)應(yīng)力造成其HC的增大，也給對(duì)高矯頑力有需求的薄膜電子器件的生產(chǎn)提供了可能性。通過本研究還可以發(fā)現(xiàn)，Heb和HC的大小都和鐵磁/反鐵磁薄膜界面耦合有關(guān)，鐵磁層的厚度越大，界面耦合能越小，Heb和HC就越??；Heb和HC都隨著反鐵磁層的厚度先增大再減小最后保持不變，這和反鐵磁層各向異性能受其自身厚度的影響能力有關(guān)，各向異性能越強(qiáng)，Heb和HC越大；Heb和HC都隨著測(cè)量溫度的增大而減小直至消失，這和AFM的各向異性有關(guān)，AFM的各向異性越小，Heb和HC越小。本文研究的Ni81Fe19/Ni50Mn50雙層膜體系為進(jìn)一步研究PI襯底上的三層膜和多層膜系統(tǒng)薄膜的磁性提供了可能性，因而促進(jìn)了柔性磁電子器件領(lǐng)域的發(fā)展。