Co/Ni多層膜的垂直磁各向異性及疇結構研究
發(fā)布時間：2022-01-02 00:36
近年來,垂直磁各向異性（Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA）磁性多層膜在磁隨機存儲器（Magnetic Random Access Memory,MRAM）方面表現出了巨大的潛在應用價值,因此引起了科研人員非常大的研究熱情。Co/Ni多層膜具有可調的垂直磁各向異性、高的自旋極化率和低的阻尼,使其在自旋器件中具有非常大的應用價值,因此對Co/Ni多層膜的垂直各向異性變化及磁疇結構的研究是非常必要的。本論文首先采用Au作為緩沖層,研究了緩沖層Au、磁性層Ni、Co/Ni周期數N以及低溫等條件對Co/Ni結構樣品靜態(tài)及動態(tài)磁性能的影響。當緩沖層Au的厚度大于等于5 nm時,薄膜表現出垂直磁各向異性。具體表現為Ni/Co層的厚度比為2/1時,薄膜的垂直磁各向異性最強,其Co/Ni界面的各向異性常數Ks大約為0.28 mJ/m2。隨著周期數N增大,樣品矯頑力Hc下降,有效垂直各向異性常數Keff下降,飽和磁化強度Ms上升。周期數N=5或7的樣品磁化...
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：67 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
磁隨機存儲器的結構示意圖[3]
蘭州大學碩士學位論文Co/Ni多層膜的垂直磁各向異性及疇結構研究4圖1-2STT-MRAM結構示意圖[3]1.2.3垂直磁各向異性磁隨機存儲器在早期MRAM的記錄單元中，SV或MTJ中參考層和自由層都是具有面內各向異性的材料。這種磁性薄膜結構比較簡單，工藝難度小，成本低。但是，隨著存儲容量的不斷增大，面內膜的缺點也開始顯現出來。對于MRAM結構中的GMR面內存儲單元，當器件尺寸小到長寬比小于2時，由于器件邊緣磁化時渦旋效應的出現，信息的讀寫會受到影響[18]。垂直磁各向異性（PMA）材料則可以解決這些問題，這類材料的磁矩垂直于面內排列，相對于面內各向異性材料，PMA材料的厚度很薄，小尺寸更有利于在垂直方向上的穩(wěn)定，因此會實現MRAM的小型化。另外，PMA材料在STT效應中使自由層的磁矩發(fā)生翻轉所需的臨界電流密度會更小[5,19-23]。除此之外，將PMA材料應用于STT-MRAM，還會使得翻轉穩(wěn)定性更強[24,25]、熱穩(wěn)定性更高[13,26]以及記錄密度更高[4,10,27]。綜上，只有充分分析和研究清楚PMA薄膜材料的各種基本性能，才能開發(fā)新一代滿足社會發(fā)展需求的STT-MRAM。從PMA材料發(fā)現至今，Co/Ni、Co/Pt和Co/Pd等PMA多層膜結構是垂直自旋閥或磁性隧道結的典型材料。在本論文中，我們主要是研究Co/Ni多層膜。1.3磁各向異性簡述1.3.1磁性材料的各向異性隨著磁學理論的發(fā)展和人類科技的不斷進步，磁性材料已經成為推動經濟和社會發(fā)展的不可或缺的基礎材料�，F如今，磁性材料性能的不斷優(yōu)化與新型磁性材料的涌現，使得信息、能源和交通等產業(yè)都進入了空前絕后的快速發(fā)展階段。本小節(jié)主要介紹磁性材料各種相互作用的能量，參考書目有：《磁學基礎與磁性
蘭州大學碩士學位論文Co/Ni多層膜的垂直磁各向異性及疇結構研究8圖1-3文獻中樣品（2Co/tNi）8的各向異性常數與厚度的乘積隨Ni層厚度的變化關系圖[36]因為磁性多層膜的PMA是來源于界面各向異性的，所以界面的質量與數量對多層膜PMA的大小有著重要影響。具體就是緩沖層的厚度影響上面多周期界面的粗糙度，多周期的數量會影響界面的數量。Bertero等人[37]認為，清晰明銳的界面有利于獲得更強的垂直磁各向異性。因為清晰明銳的界面可以使更多的電子被局域在一個范圍，增強界面處的電子自旋和角動量密度，從而增強自旋軌道耦合。緩沖層太厚會使粗糙度過大，影響上面多周期界面的質量。緩沖層太薄，取向弱，很難誘導出PMA，因此只有當緩沖層厚度在一定范圍增加時，引起晶粒尺寸增大，生長在上面的磁性層才會有好的晶體結構，獲得較強的PMA。界面的數量主要是由周期數決定的，周期數越大，界面的數量就越多。但是界面數量過多時，磁性層的厚度也會相應變大，退磁場就會增大，將磁矩壓向面內。除此之外，界面的質量還可以通過一種方式進行提高，就是退火。對薄膜進行退火，然后研究其磁性能的變化是一種常見的研究熱穩(wěn)定性的手段。在合適的溫度下退火可以使界面處的元素進行重結晶，比生長時更加有序，同時可能消除薄膜內部殘存的應力、缺陷等，提高薄膜的質量。但是，過高溫度的退火會使原子擴散嚴重，出現合金化，界面變得模糊，薄膜的垂直磁各向異性也會減小甚至消失。圖1-4為實驗上PMA薄膜有效垂直磁各向異性常數Keff計算的示意圖，各向異性場Hk和有效各向異性常數Keff的計算公式為=2∫()0（1.14）=/2（1.15）可以看出，Hk是通過歸一化的難易軸磁滯回線所包圍的面積差[15,38]來得到的（如圖1-4中的陰影部分），積分的范圍從0?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Enhancement of post-annealing stability in Co/Ni multilayers with perpendicular magnetic anisotropy by Au insertion layers[J]. Yi Cao,Ming-Hua Li,Kang Yang,Xi Chen,Guang Yang,Qian-Qian Liu,Guang-Hua Yu. Rare Metals. 2016(10)
[2]鈮酸鋰襯底上磁控濺射ITO薄膜及其光電性質研究[J]. 柯笑晗,陳云琳,朱亞彬,范天偉. 人工晶體學報. 2015(02)
[3]原子力顯微鏡的工作原理及其應用[J]. 徐井華,李強. 通化師范學院學報. 2013(02)
[4]用表面磁光克爾原理測量薄膜材料的磁性參數[J]. 祁建霞. 大學物理. 2009(09)
[5]磁光克爾效應及其測量[J]. 馬廷鈞,安玲,陳未杰. 哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版). 2005(06)
[6]振動樣品磁強計在磁記錄介質中的應用[J]. 王芳,許小紅. 信息記錄材料. 2004(04)
[7]X射線衍射分析的實驗方法及其應用[J]. 胡林彥,張慶軍,沈毅. 河北理工學院學報. 2004(03)
[8]原子力顯微鏡及其應用[J]. 劉小虹,顏肖慈,羅明道,李偉. 自然雜志. 2002(01)
[9]磁力顯微鏡的發(fā)展歷史、原理和應用[J]. 韓寶善. 理化檢驗(物理分冊). 1998(04)
[10]鈮酸鋰光波導中的共振聲光耦合和它在表面聲波相速測定中的作用[J]. 胡鴻璋,趙慈,詹仰欽. 中國激光. 1996(05)
博士論文
[1]自旋軌道矩驅動垂直磁化異質結磁矩翻轉和磁疇壁運動的研究[D]. 崔寶山.蘭州大學 2019
[2]坡莫合金薄膜中條紋疇結構高頻磁性的調控[D]. 潘麗寧.蘭州大學 2019
[3]Fe基軟磁薄膜的高頻磁性研究[D]. 曹德讓.蘭州大學 2016
[4]單晶鈮酸鋰薄膜的結構和屬性研究[D]. 韓黃璞.山東大學 2016
[5]鐵鈷基合金薄膜的靜態(tài)與動態(tài)磁性研究[D]. 鄭富.蘭州大學 2012
碩士論文
[1]界面效應對Fe基軟磁薄膜高頻性能及垂直各向異性的調控[D]. 謝宏康.蘭州大學 2019
[2]Ta\CoFeB\MgO多層膜中垂直各向異性的研究[D]. 郝良.蘭州大學 2015
[3]Co/Ni多層膜的磁性及其熱穩(wěn)定性研究[D]. 王光中.復旦大學 2013
[4]磁性膜系統(tǒng)的鐵磁共振現象研究[D]. 顧文娟.揚州大學 2012
[5]基于AMR效應與Si集成的開關芯片的制備[D]. 徐慧忠.電子科技大學 2011
[6]垂直磁各向異性器件中的自旋轉移矩效應模擬研究[D]. 邱永成.復旦大學 2010
本文編號：3563119
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：67 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
磁隨機存儲器的結構示意圖[3]
蘭州大學碩士學位論文Co/Ni多層膜的垂直磁各向異性及疇結構研究4圖1-2STT-MRAM結構示意圖[3]1.2.3垂直磁各向異性磁隨機存儲器在早期MRAM的記錄單元中，SV或MTJ中參考層和自由層都是具有面內各向異性的材料。這種磁性薄膜結構比較簡單，工藝難度小，成本低。但是，隨著存儲容量的不斷增大，面內膜的缺點也開始顯現出來。對于MRAM結構中的GMR面內存儲單元，當器件尺寸小到長寬比小于2時，由于器件邊緣磁化時渦旋效應的出現，信息的讀寫會受到影響[18]。垂直磁各向異性（PMA）材料則可以解決這些問題，這類材料的磁矩垂直于面內排列，相對于面內各向異性材料，PMA材料的厚度很薄，小尺寸更有利于在垂直方向上的穩(wěn)定，因此會實現MRAM的小型化。另外，PMA材料在STT效應中使自由層的磁矩發(fā)生翻轉所需的臨界電流密度會更小[5,19-23]。除此之外，將PMA材料應用于STT-MRAM，還會使得翻轉穩(wěn)定性更強[24,25]、熱穩(wěn)定性更高[13,26]以及記錄密度更高[4,10,27]。綜上，只有充分分析和研究清楚PMA薄膜材料的各種基本性能，才能開發(fā)新一代滿足社會發(fā)展需求的STT-MRAM。從PMA材料發(fā)現至今，Co/Ni、Co/Pt和Co/Pd等PMA多層膜結構是垂直自旋閥或磁性隧道結的典型材料。在本論文中，我們主要是研究Co/Ni多層膜。1.3磁各向異性簡述1.3.1磁性材料的各向異性隨著磁學理論的發(fā)展和人類科技的不斷進步，磁性材料已經成為推動經濟和社會發(fā)展的不可或缺的基礎材料�，F如今，磁性材料性能的不斷優(yōu)化與新型磁性材料的涌現，使得信息、能源和交通等產業(yè)都進入了空前絕后的快速發(fā)展階段。本小節(jié)主要介紹磁性材料各種相互作用的能量，參考書目有：《磁學基礎與磁性
蘭州大學碩士學位論文Co/Ni多層膜的垂直磁各向異性及疇結構研究8圖1-3文獻中樣品（2Co/tNi）8的各向異性常數與厚度的乘積隨Ni層厚度的變化關系圖[36]因為磁性多層膜的PMA是來源于界面各向異性的，所以界面的質量與數量對多層膜PMA的大小有著重要影響。具體就是緩沖層的厚度影響上面多周期界面的粗糙度，多周期的數量會影響界面的數量。Bertero等人[37]認為，清晰明銳的界面有利于獲得更強的垂直磁各向異性。因為清晰明銳的界面可以使更多的電子被局域在一個范圍，增強界面處的電子自旋和角動量密度，從而增強自旋軌道耦合。緩沖層太厚會使粗糙度過大，影響上面多周期界面的質量。緩沖層太薄，取向弱，很難誘導出PMA，因此只有當緩沖層厚度在一定范圍增加時，引起晶粒尺寸增大，生長在上面的磁性層才會有好的晶體結構，獲得較強的PMA。界面的數量主要是由周期數決定的，周期數越大，界面的數量就越多。但是界面數量過多時，磁性層的厚度也會相應變大，退磁場就會增大，將磁矩壓向面內。除此之外，界面的質量還可以通過一種方式進行提高，就是退火。對薄膜進行退火，然后研究其磁性能的變化是一種常見的研究熱穩(wěn)定性的手段。在合適的溫度下退火可以使界面處的元素進行重結晶，比生長時更加有序，同時可能消除薄膜內部殘存的應力、缺陷等，提高薄膜的質量。但是，過高溫度的退火會使原子擴散嚴重，出現合金化，界面變得模糊，薄膜的垂直磁各向異性也會減小甚至消失。圖1-4為實驗上PMA薄膜有效垂直磁各向異性常數Keff計算的示意圖，各向異性場Hk和有效各向異性常數Keff的計算公式為=2∫()0（1.14）=/2（1.15）可以看出，Hk是通過歸一化的難易軸磁滯回線所包圍的面積差[15,38]來得到的（如圖1-4中的陰影部分），積分的范圍從0?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Enhancement of post-annealing stability in Co/Ni multilayers with perpendicular magnetic anisotropy by Au insertion layers[J]. Yi Cao,Ming-Hua Li,Kang Yang,Xi Chen,Guang Yang,Qian-Qian Liu,Guang-Hua Yu. Rare Metals. 2016(10)
[2]鈮酸鋰襯底上磁控濺射ITO薄膜及其光電性質研究[J]. 柯笑晗,陳云琳,朱亞彬,范天偉. 人工晶體學報. 2015(02)
[3]原子力顯微鏡的工作原理及其應用[J]. 徐井華,李強. 通化師范學院學報. 2013(02)
[4]用表面磁光克爾原理測量薄膜材料的磁性參數[J]. 祁建霞. 大學物理. 2009(09)
[5]磁光克爾效應及其測量[J]. 馬廷鈞,安玲,陳未杰. 哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版). 2005(06)
[6]振動樣品磁強計在磁記錄介質中的應用[J]. 王芳,許小紅. 信息記錄材料. 2004(04)
[7]X射線衍射分析的實驗方法及其應用[J]. 胡林彥,張慶軍,沈毅. 河北理工學院學報. 2004(03)
[8]原子力顯微鏡及其應用[J]. 劉小虹,顏肖慈,羅明道,李偉. 自然雜志. 2002(01)
[9]磁力顯微鏡的發(fā)展歷史、原理和應用[J]. 韓寶善. 理化檢驗(物理分冊). 1998(04)
[10]鈮酸鋰光波導中的共振聲光耦合和它在表面聲波相速測定中的作用[J]. 胡鴻璋,趙慈,詹仰欽. 中國激光. 1996(05)
博士論文
[1]自旋軌道矩驅動垂直磁化異質結磁矩翻轉和磁疇壁運動的研究[D]. 崔寶山.蘭州大學 2019
[2]坡莫合金薄膜中條紋疇結構高頻磁性的調控[D]. 潘麗寧.蘭州大學 2019
[3]Fe基軟磁薄膜的高頻磁性研究[D]. 曹德讓.蘭州大學 2016
[4]單晶鈮酸鋰薄膜的結構和屬性研究[D]. 韓黃璞.山東大學 2016
[5]鐵鈷基合金薄膜的靜態(tài)與動態(tài)磁性研究[D]. 鄭富.蘭州大學 2012
碩士論文
[1]界面效應對Fe基軟磁薄膜高頻性能及垂直各向異性的調控[D]. 謝宏康.蘭州大學 2019
[2]Ta\CoFeB\MgO多層膜中垂直各向異性的研究[D]. 郝良.蘭州大學 2015
[3]Co/Ni多層膜的磁性及其熱穩(wěn)定性研究[D]. 王光中.復旦大學 2013
[4]磁性膜系統(tǒng)的鐵磁共振現象研究[D]. 顧文娟.揚州大學 2012
[5]基于AMR效應與Si集成的開關芯片的制備[D]. 徐慧忠.電子科技大學 2011
[6]垂直磁各向異性器件中的自旋轉移矩效應模擬研究[D]. 邱永成.復旦大學 2010
本文編號：3563119
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