低剂量Ga~+辐照和温度对自旋阀磁性能及其稳定性的影响

【摘要】：具有低饱和场、高灵敏度的自旋阀巨磁电阻材料,在磁记录读出磁头、随机存储器、磁传感器等方面具有重要的应用价值,已成为国内外研究热点。聚焦离子束(FIB)技术被认为是制备基于自旋阀磁电子器件和修饰薄膜材料磁性能的一种比较便捷的方法。但在用FIB技术制备纳米磁电子器件的过程中,其离子束尾会影响磁电子器件使用的可靠性。另外,制备和使用过程中温度也会影响自旋阀磁性能。本文围绕应用聚焦离子束技术制备自旋阀纳米磁电子器件引起的问题以及温度对自旋阀纳米磁电子器件的影响,通过XRD、AFM、TEM以及VSM等分析测试手段研究了低剂量Ga~+离子辐照与温度对自旋阀多层膜及在其中起关键作用的铁磁/反铁磁双层膜磁性能及其稳定性的影响。 低剂量Ga~+离子辐照降低了CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀多层膜中IrMn(111)方向的织构度,辐照后增加了原子在界面的混合。织构度的下降和界面原子的混合使得自旋阀多层膜交换偏置场、被钉扎层矫顽力以及巨磁电阻下降,经过3×10~(14) ion·cm~(-2)剂量的Ga~+离子辐照后,交换偏置场由234 Oe变为99 Oe,被钉扎层矫顽力由195 Oe变为175 Oe;低剂量离子辐照后,增加了自由铁磁层与被钉扎层间的耦合,使得自由层的矫顽力增加,经过3×10~(14) ion·cm~(-2)剂量的Ga~+离子辐照后,自由层矫顽力由59 Oe变为126 Oe。低剂量Ga~+离子辐照后织构度的下降、应力松弛以及铁磁与反铁磁层间扩散等微结构的变化导致反铁磁矩难以反转,使得离子辐照后自旋阀多层膜热磁稳定性增强。 低剂量Ga~+离子对CoFe/IrMn双层膜中IrMn(111)方向的织构影响甚微,但降低了CoFe/IrMn双层膜的界面粗糙度;粗糙度的降低使得CoFe/IrMn双层膜交换偏置场和矫顽力下降,经过1×10~(14) ion·cm~(-2)剂量的Ga~+离子辐照后,交换偏置场由324 Oe变为280 Oe,矫顽力由111 Oe变为175 Oe。低剂量Ga~+离子辐照降低了反铁磁畴反转的能垒,使得辐照后CoFe/IrMn双层膜中热磁稳定性下降。 退火降低了自旋阀多层膜中IrMn(111)方向的织构度。织构度的下降使得自旋阀交换偏置场和被钉扎层矫顽力减小,铁磁自由层在热处理过程中发生了相变过程,从而导致自由层的矫顽力增加;不同加热温度使得IrMn(111)方向的织构度下降,并增加了界面处原子的混合。织构度的下降和界面原子的混合使得自旋阀的交换偏置场下降。连续升温使得CoFe/Cu/CoFe/ IrMn自旋阀多层膜中IrMn(111)方向的织构度下降,织构度下降使得自旋阀的交换偏置场和被钉扎层矫顽力下降。 退火使得CoFe/IrMn双层膜中IrMn(111)方向的织构减弱,粗糙度增加,交换偏置场下降;不同加热温度对CoFe/IrMn双层膜中IrMn(111)方向的织构影响不大,但交换偏置场随着加热温度的升高而下降。 退火降低了CoFe/IrMn双层膜的热磁稳定性,但增加了CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀多层膜的热磁稳定性;而不同加热温度降低了CoFe/IrMn双层膜和CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀多层膜的热磁稳定性。