劉帥

摘 ?要：利用磁控濺射的方法制備了以Au為隔離層，分別以Co/Pt多層膜為參考層和自由層的具有垂直磁各向異性的贗自旋閥結(jié)構(gòu)Pt4。通過(guò)磁性測(cè)量發(fā)現(xiàn)自旋閥具有非常好的垂直磁各向異性，通過(guò)對(duì)自旋閥進(jìn)行輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量得到了1.7%的磁電阻值。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加中間Au隔離層厚度時(shí)，自旋閥的磁電阻值會(huì)單調(diào)減小。

關(guān)鍵詞：自旋閥;磁電阻;Co/Pt多層膜;垂直磁各向異性

中圖分類(lèi)號(hào)：O469 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0009-04

Abstract： Pseudo spin valve with perpendicular magnetic anisotropy has been fabricated by magnetron sputtering technique. Au layer is adopted as spacer layer and Co/Pt multilayers are adopted as reference and free layers in the pseudo-spin valve. The resulting spin valve stack is Pt（50 ？魡）/[Co（4 ？魡）/Pt（6 ？魡）]3/Co（4 ？魡）/Au（30 ？魡）/[Co（4 ？魡）/Pt（20 ？魡）]4. The spin valve exhibits strong perpendicular magnetic anisotropy as indicated by magnetization measurements. The perpendicular giant magnetoresistance ratio of 1.7% is achieved by transport measurements. It is found that the magnetoresistance ratio of the spin valve drops monotonically as Au layer thickness increases.

Keywords： spin valve; magnetoresistance; Co/Pt multilayer; perpendicular magnetic anisotropy

1 概述

上世紀(jì)八十年代末，兩位德國(guó)和法國(guó)科學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻（GMR）效應(yīng)，由此開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域-自旋電子學(xué)（Spintronics）[1-4]。在自旋電子學(xué)中，電子的電荷屬性和自旋屬性被有機(jī)結(jié)合到一起，人們既可以利用自旋影響電荷，也可以利用電荷影響自旋。基于這些奇特的性質(zhì)，人們開(kāi)發(fā)出了很多新穎的電子元器件，如磁隨機(jī)存儲(chǔ)器、高性能硬盤(pán)讀頭和傳感器等。兩位科學(xué)家也因?yàn)檫@一巨大貢獻(xiàn)而獲得了2007年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

人們把實(shí)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的材料結(jié)構(gòu)稱(chēng)為自旋閥，因?yàn)樗梢韵耖y門(mén)一樣控制電阻的高低。自旋閥的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)金屬三明治結(jié)構(gòu)，即FM1/NM/FM2（FM代表鐵磁金屬，NM代表非磁金屬），其中矯頑力大的鐵磁層由于磁矩不容易翻轉(zhuǎn)所以稱(chēng)為參考層，矯頑力小的鐵磁層由于磁矩容易翻轉(zhuǎn)所以稱(chēng)為自由層。傳統(tǒng)自旋閥中人們?yōu)榱耸箙⒖紝哟啪夭蝗菀追D(zhuǎn)所以在自旋閥中引入了一個(gè)厚度高達(dá)100？魡左右的金屬反鐵磁層，但是反鐵磁金屬的引入一方面使自旋閥的制備工藝更加復(fù)雜，另一方面還導(dǎo)致自旋閥的磁電阻值由于反鐵磁的分流作用而下降。在本研究中，我們分別以矯頑力不同的Co/Pt多層膜作自旋閥的自由層和參考層，以Au為隔離層，制備出了沒(méi)有反鐵磁層的垂直磁各向異性贗自旋閥，同時(shí)還對(duì)自旋閥的磁電阻值進(jìn)行了測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中的樣品均采用磁控濺射法制備，樣品沉積在Coring 玻璃基片上，基片大小為22×22mm。濺射前，先把樣品腔的氣壓抽至3.0×10-5Pa以下，然后通入高純Ar氣作為濺射氣體，Ar氣壓強(qiáng)保持在0.5Pa。濺射過(guò)程中，Co、Pt和Au靶濺射速率分別為0.33。利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)試樣品的磁學(xué)性質(zhì)，利用標(biāo)準(zhǔn)四探針?lè)y(cè)量樣品的輸運(yùn)性質(zhì)，即磁電阻效應(yīng)，測(cè)試過(guò)程中，磁場(chǎng)均垂直于薄膜表面施加。所有制備和測(cè)試過(guò)程都在室溫下進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 自旋閥參考層的確定

由于之前我們已經(jīng)制備過(guò)Cu隔離層自旋閥，所以可以參考Cu隔離層自旋閥參考層的制備[5]，因?yàn)椴还苁荂u隔離層還是Au隔離層，位置都是在Co/Pt周期層的上面，所以對(duì)下面周期層的磁性影響很小。我們最終選擇的參考層結(jié)構(gòu)是這可能是因?yàn)榕cCu相比，Au與Co之間有更強(qiáng)的耦合作用。

3.2 自旋閥自由層的確定

確定完自旋閥的參考層之后，下一步需要對(duì)自由層進(jìn)行選擇，自由層的選擇有如下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：（1）良好的垂直磁各向異性;（2）矯頑力較小，從而能與參考層的矯頑力明顯區(qū)別開(kāi)，同時(shí)較小的矯頑力也利于磁矩的翻轉(zhuǎn);（3）非磁金屬盡量薄以減小分流作用。由于自由層中的Co/Pt周期層是長(zhǎng)在Au或Cu隔離層的上面，所以不能再參考之前Cu隔離層自旋閥中自由層的數(shù)據(jù)，因?yàn)榈讓咏饘賹?duì)在上面沉積的Co/Pt周期層的性能會(huì)有非常大的影響。

確定自由層時(shí)，固定周期層中Co的厚度保持4 不變，周期數(shù)也固定為4，之后通過(guò)改變Pt層的厚度來(lái)觀察樣品性能的變化。實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)為Au（30）/[Co（4 ）/Pt（tPt=5，10，15，20，25 ）]4。圖2（a）為樣品垂直膜面方向的磁滯回線，可以看到Pt層厚度小于20 時(shí)，磁滯回線嚴(yán)重傾斜，只有Pt層厚度為20 和25 的兩個(gè)樣品才有矩形磁滯回線。圖2（b）為樣品的矯頑力隨Pt厚度的變化，可以看到在我們所選擇的厚度范圍內(nèi)，Pt越厚，矯頑力越大。25 的Pt層由于太厚所以分流作用大，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致自由層矯頑力太大，因此我們最后選擇的自由層結(jié)構(gòu)是Au（30）/[Co（4 ）/Pt（20 ）]4。其矯頑力為75 Oe。

3.3 自旋閥的制備及磁電阻的測(cè)量

確定好參考層和自由層的結(jié)構(gòu)之后，把它們復(fù)合在一起即可制備垂直磁各向異性贗自旋閥，自旋閥的具體結(jié)構(gòu)為Pt4。圖3是自旋閥的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4（a）是自旋閥磁場(chǎng)垂直膜面方向的磁滯回線，可以看到自旋閥有非常好的垂直磁各向異性，自由層的磁矩翻轉(zhuǎn)非常銳利，說(shuō)明我們的自旋閥很適合制備磁存儲(chǔ)元件。上面已經(jīng)提到過(guò)，孤立存在的參考層矯頑力為262 Oe，孤立存在的自由層矯頑力為75 Oe，但是把參考層和自由層合成自旋閥后我們發(fā)現(xiàn)，參考層的矯頑力增大到了312 Oe，自由層的矯頑力增大到了125 Oe。這種矯頑力增大的現(xiàn)象在我們之前制備的Cu隔離層自旋閥中也觀察到過(guò)，是由參考層與自由層之間的磁耦合作用造成的。

圖4（b）所示為自旋閥的磁電阻曲線，從中可以看到磁電阻曲線的變化也非常銳利，并且磁電阻的突變磁場(chǎng)與自由層和參考層的磁矩翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一一對(duì)應(yīng)。如公式（1）所示，磁電阻值MR通常定義為一個(gè)無(wú)量綱的量，式中RAP代表自由層和參考層磁矩反平行時(shí)自旋閥的電阻值，RP代表自由層和參考層磁矩平行時(shí)自旋閥的電阻值。由于自旋相關(guān)散射，在自旋閥中，RAP總是大于RP。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，我們制備的Au隔離層自旋閥磁電阻值為MR=1.7%。

之前我們制備的結(jié)構(gòu)相近的Cu隔離層自旋閥，其磁電阻值為2.7%[5]，造成Au隔離層自旋閥磁電阻值較低的原因可能有以下幾點(diǎn)。（1）Au隔離層自旋閥的自由層中，每個(gè)周期中Pt層厚度為20 ？魡，而Cu隔離層自旋閥的自由層中，每個(gè)周期中Pt層厚度為15 ？魡。自由層有四個(gè)周期，所以總Pt層厚度相差20 ？魡，而非磁Pt層會(huì)導(dǎo)致分流作用，所以磁電阻值降低。（2）從能帶角度分析，Cu與Co的能帶匹配情況也要優(yōu)于Au與Co的能帶匹配情況。Co的多數(shù)自旋電子能帶結(jié)構(gòu)與Cu的能帶結(jié)構(gòu)非常匹配，而Co的少數(shù)自旋電子能帶結(jié)構(gòu)與Cu的能帶結(jié)構(gòu)非常不匹配，這一差異匹配情況導(dǎo)致在Cu/Co界面處可以產(chǎn)生非常大的自旋相關(guān)散射，并進(jìn)而導(dǎo)致高磁電阻值。而Au與Co的能帶結(jié)構(gòu)則沒(méi)有與Cu類(lèi)似的這種差異匹配情況。（3）從晶格角度分析，面心立方Co的晶格常數(shù)為3.56 ？魡，面心立方Cu的晶格常數(shù)為3.61 ？魡，面心立方Au的晶格常數(shù)為4.09 ？魡，可以看到Cu與Co的晶格常數(shù)更接近，從而可以減少界面處的非自旋相關(guān)散射，而這種非自旋相關(guān)散射通常會(huì)削弱巨磁電阻效應(yīng)。

圖5所示為改變自旋閥中Au隔離層厚度tAu時(shí)，自旋閥磁電阻值的變化。從圖中可以看到當(dāng)Au隔離層變厚時(shí)，自旋閥的磁電阻值MR也單調(diào)下降，造成這一現(xiàn)象的原因可能有如下兩點(diǎn)。（1）Au隔離層變厚會(huì)增加對(duì)電流的分流作用，從而導(dǎo)致MR下降。（2）過(guò)厚的Au隔離層會(huì)增加電子所受的非自旋相關(guān)散射，進(jìn)而導(dǎo)致電子所受的自旋相關(guān)散射減小，而自旋相關(guān)散射是產(chǎn)生巨磁電阻的根本原因。但是Au隔離層也不能太薄，否則會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)成膜。

4 總結(jié)

通過(guò)選擇合適的參考層和自由層Co/Pt多層膜結(jié)構(gòu)，我們制備出了具有良好垂直磁各向異性的Co/Pt基Au隔離層贗自旋閥結(jié)構(gòu)。由于贗自旋閥中沒(méi)有金屬反鐵磁層，從而很好的避開(kāi)了反鐵磁層的分流作用。同時(shí)，由于Co/Pt多層膜具有很強(qiáng)的垂直磁各向異性，所以這種自旋閥比面內(nèi)磁各向異性自旋閥更適合制備亞微米甚至納米量級(jí)的自旋電子學(xué)元器件。

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