專利名稱：一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于自旋閥、磁性隧道結(jié)、傳感器等的磁性材料及其制備方法，特別是指一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在制備鐵磁/反鐵磁多層膜材料方面，由現(xiàn)有技術(shù)表明具有面心立方結(jié)構(gòu)的Mn合金，經(jīng)過退火轉(zhuǎn)變?yōu)樵佑行虻拿嫘乃姆浇Y(jié)構(gòu)的反鐵磁X-Mn(其中X為另外一種元素，Ni、Pt和Pd等)所組成的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，一般都具有比較大的釘扎場，以及良好的抗腐蝕能力和熱穩(wěn)定性，故在傳感器等方面獲得廣泛的應(yīng)用。圖1為公知的鐵磁/Mn系反鐵磁多層膜釘扎材料的結(jié)構(gòu)，其各層依次為基片1、緩沖層2、鐵磁層70、反鐵磁層4、及保護層8。但是，由于公知的該鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料，在制備過程中，所需的退火時間都很長(幾十小時)，或其退火溫度很高(300℃以上)，因此退火過程中反鐵磁層4中的Mn發(fā)生擴散遷移，進入相鄰的鐵磁層70，從而造成鐵磁層70磁矩的損失，矯頑力的增大和磁滯回線矩形度變差，而且該材料中的反鐵磁層4一般比較厚(250以上)，該材料的反鐵磁層4對鐵磁層70的釘扎場不太理想，釘扎場一般為200奧斯特左右。由上述可見，防止退火過程中Mn向鐵磁層擴散和減薄反鐵磁層是獲得高性能的鐵磁/反鐵磁多層膜釘扎材料的關(guān)鍵所在，也是待解決的難題。
需指出的是，由于這種多層膜釘扎材料在制備過程中的退火工藝后，結(jié)構(gòu)會發(fā)生些許變化，故在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，通常以退火前的多層膜結(jié)構(gòu)來進行定性的討論和比較。因此，凡后文中提及的多層膜結(jié)構(gòu)及各層相應(yīng)的厚度，除特別指出外，均以退火前的狀態(tài)為準(zhǔn)。
文獻(T.Lin，C.Tsang，R.E.Fontana and J.K.Howard，IEEETrans.Magn.，31(1995)，2585.)揭露了300的反鐵磁層Ni-Mn釘扎150的鐵磁層Ni-Fe的釘扎場和矯頑力隨退火時間和退火溫度的變化，即要產(chǎn)生比較好的釘扎效果，要么退火溫度比較高(比如320℃，5小時)，要么退火時間比較長(比如280℃，20小時)文獻(M.Lederman，IEEE Trans.Magn.，35(1999)，794)揭露了釘扎場及矯頑力和Ni-Mn厚度的關(guān)系，此文獻指出Ni-Mn厚度必需大于300；后來，也有材料研究者制備了250的Ni-Mn反鐵磁層，所以我們認(rèn)為文獻上提到的Ni-Mn的厚度基本上都大于200。
另外，由于Ni-Mn不能直接釘扎Co-Fe，故以前有人曾試圖以Ni-Mn合金為反鐵磁層實現(xiàn)對Co-Fe的釘扎，但未獲得較好的效果。
因此，如何在更低的退火溫度和更短的退火時間下，獲得以Mn系合金作為反鐵磁層釘扎Co-Fe鐵磁層的多層膜釘扎材料，并具有更薄的反鐵磁層、更大的釘扎場，是制備釘扎材料領(lǐng)域的重要課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是為了解決上述問題而提供一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，該材料實現(xiàn)了Ni-Mn對Co-Fe層的良好釘扎，而且該釘扎材料反鐵磁層明顯減薄，具有更大的釘扎場，。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，該方法可防止退火過程中Mn向鐵磁層擴散，且達到了在退火溫度較低的同時，退火時間較短的目的。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實現(xiàn)一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，包括一基片和在基片上設(shè)置的一緩沖層、一第二鐵磁層及設(shè)在其上的一保護層，其特征在于，還包括一引導(dǎo)層，設(shè)于緩沖層上，該引導(dǎo)層具有(111)織構(gòu)，用以誘導(dǎo)有利于釘扎第二鐵磁層的反鐵磁層的(111)織構(gòu)的形成；一反鐵磁層，設(shè)于引導(dǎo)層上，該反鐵磁層具有(111)織構(gòu)；一第一鐵磁層，設(shè)于反鐵磁層上；及一納米氧化層，設(shè)于第一鐵磁層和第二鐵磁層之間，用以防止反鐵磁層中的Mn向第二鐵磁層中擴散。
所述的基片的材料選自硅或玻璃的一種。
所述的緩沖層的材料選自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。
所述的引導(dǎo)層的材料選自Ni或NiXFe100-X，其中77＜X＜83。
所述的反鐵磁層的組成元素為Mn和X，所述的元素X選自Ni、Pt、Pd中的至少一種。
在退火前，該反鐵磁層中的元素Mn所占原子百分含量為55％至70％，用以減短退火時間和/或降低退火溫度，并可減薄該層的厚度；退火后元素Mn的原子百分含量為50％。
該反鐵磁層厚度為100至200。
所述的第一鐵磁層的材料選自Ni、NiXFe100-X、CoYFe100-Y中的一種，其中77＜X＜83，87＜Y＜93。
所述的納米氧化層由該第一鐵磁層氧化而成，厚度為10至20。
所述的第二鐵磁層的材料為CoYFe100-Y，其中87＜Y＜93。
本發(fā)明的另一目的還可通過如下措施來實現(xiàn)本發(fā)明提供的一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，包含以下步驟(1)采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、引導(dǎo)層、反鐵磁層、第一鐵磁層，且使反鐵磁層中的Mn的原子百分含量大于50％；(2)含氧氣氛下，使第一鐵磁層的上表面氧化形成相應(yīng)的納米氧化層；(3)采用真空沉積法，在納米氧化層上繼續(xù)依次鍍上第二鐵磁層和保護層，形成該釘扎材料的半成品；及(4)將該釘扎材料的半成品，在一平行于樣品易軸方向的普通磁場強度的外加磁場下進行真空退火，退火后即獲得成品。
采用所述的真空沉積法鍍層時，本底真空度高于10-5Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.2-0.8Pa。
采用所述的真空沉積法鍍該反鐵磁層時，需使反鐵磁層XMn中元素Mn的原子百分含量為55％至70％，用以減短退火時間或降低退火溫度。
在制備所述納米氧化層時采用工業(yè)純氧的氣氛，且壓力為0.2-0.8Pa，或采用置于空氣中的自然氧化，或采用壓力為10-3-10-2Pa的氧等離子體的氧化方式。
所述步驟(4)中的退火工藝的退火溫度為260-280℃、退火時間為1-5小時、本底真空度高于10-2Pa。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明提供的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，通過控制反鐵磁層中的Mn的原子百分含量及采用第一鐵磁層、納米氧化層和引導(dǎo)層，從而使反鐵磁層厚度明顯減薄，其釘扎場更大，矯頑力更小，磁滯回線矩形度更好，如圖3所示；該第二鐵磁層中幾乎無Mn的擴散；并且還實現(xiàn)了Ni-Mn對Co-Fe的釘扎；2、本發(fā)明提供的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料制備方法，通過控制反鐵磁層中的Mn的原子百分含量及沉積第一鐵磁層、納米氧化層和引導(dǎo)層，從而可防止退火過程中Mn向鐵磁層擴散，既達到退火溫度較低又達到退火時間較短。該制備方法工藝簡單、重復(fù)穩(wěn)定性好，非常適合實際操作。


圖1為公知的鐵磁/Mn系反鐵磁多層膜釘扎材料的結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明的鐵磁/Mn系反鐵磁多層膜釘扎材料的結(jié)構(gòu)；及圖3為本發(fā)明實施例一的樣品的磁滯回線。
圖面說明1-基片；2-緩沖層；3-引導(dǎo)層；4-反鐵磁層；5-第一鐵磁層；6-納米氧化層；7-第二鐵磁層；8-保護層；70-鐵磁層。
具體實施例方式
請參閱圖2，為本發(fā)明的鐵磁/Mn系反鐵磁多層膜釘扎材料的結(jié)構(gòu)。該材料的結(jié)構(gòu)自基片1至另一端的保護層8，其間各層依次為緩沖層2、引導(dǎo)層3、反鐵磁層4、第一鐵磁層5、納米氧化層6、第二鐵磁層7。
實施例一請參閱圖2。在此實施例中的鐵磁/Mn系反鐵磁多層膜釘扎材料的結(jié)構(gòu)是自基片Si1至另一端的保護層Ta8(厚度為30)，其間各層依次為緩沖層Ta2(厚度為30)、引導(dǎo)層Ni3(20)、反鐵磁層Ni-Mn4(厚度為150)、第一鐵磁層Ni5(厚度為30)及其納米氧化層6、以及第二鐵磁層Co90Fe107(厚度為60)。退火前，反鐵磁層Ni-Mn4中元素Mn所占原子百分含量為70％，退火后約為50％。圖3為本發(fā)明實施例一的成品(經(jīng)溫度280℃，僅僅5小時退火)用振動樣品磁強計測量出的磁滯回線，其矯頑力約為60奧斯特，該矯頑力與退火前的材料的矯頑力相同，其釘扎場為310奧斯特，回線矩形度很好。
實施例二請參閱圖2。在此實施例中的鐵磁/Mn系反鐵磁多層膜釘扎材料的結(jié)構(gòu)是自基片Si1至另一端的保護層Ta8(厚度為30)，其間各層依次為緩沖層Ta2(厚度為30)、引導(dǎo)層Ni80Fe203(厚度為30)、反鐵磁層Pt-Mn4(厚度為100)、第一鐵磁層Co90Fe105(厚度為15)及其納米氧化層6、以及第二鐵磁層Co90Fe107(厚度為100)。上述反鐵磁層Pt-Mn退火前元素Mn所占原子百分含量為55％，退火后約為50％。
實施例三請參閱圖2。在此實施例中的鐵磁/Mn系反鐵磁多層膜釘扎材料的結(jié)構(gòu)是自基片玻璃1至另一端的保護層Ta8(厚度為30)，其間各層依次為緩沖層(Ni80Fe20)60Cr402(厚度為30)、引導(dǎo)層Ni80Fe203(厚度為30)、反鐵磁層Pd-Mn4(厚度為200)、第一鐵磁層Ni80Fe205(厚度為520)及其納米氧化層6、以及第二鐵磁層Co90Fe107(厚度為100)。上述反鐵磁層Pd-Mn退火前元素Mn所占原子百分含量為60％，退火后約為50％。
下面以實施例一為例子，說明本發(fā)明的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法。制備Co-Fe鐵磁/Ni-Mn反鐵磁多層膜釘扎材料的步驟如下首先采用真空沉積方法，如磁控濺射方法，本底真空度高于10-5Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.5Pa，在Si基片1上依次鍍上緩沖層Ta2(厚度為30)、引導(dǎo)層Ni3(厚度為20)、反鐵磁層Ni-Mn4(厚度為150)、第一鐵磁層Ni5(厚度為30)、第二鐵磁層Co90Fe107(厚度為60)、保護層Ta8(厚度為30)；其中在鍍二元合金Ni-Mn反鐵磁層4過程中，使元素Mn在該層中的原子百分含量為70％；在鍍完厚為30的第一鐵磁層Ni后，用自然氧化或等離子體氧化方式或0.5Pa的工業(yè)純氧對樣品表面氧化10分鐘，從而在第一鐵磁層Ni和第二鐵磁層Co90Fe10的界面上形成一層納米氧化層6(NOL)，厚度約為10-20。然后，將樣品置于有方向平行于樣品易軸的的外加磁場下，磁場強度為約為102奧斯特，且本底真空度高于10-2Pa，經(jīng)過溫度為280℃，5小時退火。由于納米氧化層6(NOL)的存在，在退火時擋住了Mn向第二鐵磁層7的擴散，當(dāng)Mn在下面三層間(Ni/Ni-Mn/Ni)擴散移動時，可以形成比較均勻的等原子比例的有序相的Ni-Mn的反鐵磁層4，從而實現(xiàn)對第二鐵磁層Co90Fe107的釘扎。由于系統(tǒng)中的反鐵磁層Ni-Mn4退火前Mn原子百分含量較高為70％，退火時Mn原子容易移動，從而退火時間可以比較短，NOL擋住了Mn朝第二鐵磁層7的擴散，使得下面三層中形成了均勻的Ni-Mn有序相，納米氧化層6(NOL)可能還有磁性，它處在反鐵磁層Ni-Mn4和第二鐵磁層Co90Fe107的界面，從而實現(xiàn)了反鐵磁層Ni-Mn4對第二鐵磁層Co90Fe107的釘扎，而且經(jīng)磁強計測量證明，該材料磁滯回線如圖3所示，其矯頑力約為60奧斯特，該矯頑力和退火前的材料的矯頑力相同，釘扎場為310奧斯特，回線矩形度很好。
權(quán)利要求
1.一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，包括一基片和在基片上設(shè)置的一緩沖層、一第二鐵磁層及設(shè)在其上的一保護層，其特征在于，還包括一引導(dǎo)層，設(shè)于緩沖層上，該引導(dǎo)層具有(111)織構(gòu)；一反鐵磁層，設(shè)于引導(dǎo)層上，該反鐵磁層具有(111)織構(gòu)；一第一鐵磁層，設(shè)于反鐵磁層上；及一納米氧化層，設(shè)于第一鐵磁層和第二鐵磁層之間。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，所述的基片的材料選自硅或玻璃的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，所述的緩沖層的材料選自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。
4.如權(quán)利要求1所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，所述的引導(dǎo)層的材料選自Ni或NiXFe100-X，其中77＜X＜83。
5.如權(quán)利要求1所述的鐵磁磁/系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，所述的反鐵磁層的組成元素為Mn和X，所述的元素X選自Ni、Pt、Pd中的至少一種。
6.如權(quán)利要求5所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，在退火前，該反鐵磁層中的元素Mn所占原子百分含量為55％至70％；退火后元素Mn的原子百分含量為50％。
7.如權(quán)利要求1所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，該反鐵磁層厚度為100至200。
8.如權(quán)利要求1所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，所述的第一鐵磁層的材料選自Ni、NiXFe100-X、CoYFe100-Y中的一種，其中77＜X＜83，87＜Y＜93。
9.如權(quán)利要求1所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，所述的納米氧化層由該第一鐵磁層氧化而成，厚度為10至20。
10.如權(quán)利要求1所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料，其特征在于，所述的第二鐵磁層的材料為CoYFe100-Y，其中87＜Y＜93。
11.一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，包含以下步驟(1)采用真空沉積法，在基片上依次鍍上緩沖層、引導(dǎo)層、反鐵磁層、第一鐵磁層，且使反鐵磁層中的Mn的原子百分含量大于50％；(2)含氧氣氛下，使第一鐵磁層的上表面氧化形成相應(yīng)的納米氧化層；(3)采用真空沉積法，在納米氧化層上繼續(xù)依次鍍上第二鐵磁層和保護層，形成該釘扎材料的半成品；及(4)將該釘扎材料的半成品，在一平行于樣品易軸方向的普通磁場強度的外加磁場下進行真空退火，退火后即獲得成品。
12.如權(quán)利要求11所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征在于，采用所述的真空沉積法鍍層時，本底真空度高于10-5Pa，且惰性氣氛下的沉積工作氣壓為0.2-0.8Pa。
13.如權(quán)利要求11所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征在于，采用所述的真空沉積法鍍該反鐵磁層時，需使反鐵磁層X-Mn中元素Mn的原子百分含量為55％至70％。
14.如權(quán)利要求11所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征在于，在制備所述納米氧化層時采用工業(yè)純氧的氣氛，且壓力為0.2-0.8Pa，或采用置于空氣中的自然氧化，或采用壓力為10-3-10-2Pa的氧等離子體的氧化方式。
15.如權(quán)利要求11所述的鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中的退火工藝的退火溫度為260-280℃、退火時間為1-5小時、本底真空度高于10-2Pa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵磁/錳系反鐵磁多層膜釘扎材料及其制備方法，該釘扎材料包括一基片和在基片上設(shè)置的一緩沖層、一第二鐵磁層及設(shè)在其上的一保護層，其中還包括一設(shè)于緩沖層上的引導(dǎo)層、一設(shè)于引導(dǎo)層上的反鐵磁層、一設(shè)于反鐵磁層上的第一鐵磁層、及一納米氧化層，設(shè)于第一鐵磁層和第二鐵磁層之間；其制備方法是在基片上依次沉積各層并退火得到該釘扎材料；由本發(fā)明方法制備的釘扎材料的反鐵磁層厚度明顯減薄，釘扎場更大，矯頑力更小，磁滯回線矩形度更好，在鐵磁層中幾乎沒有Mn的擴散，而且還實現(xiàn)了Ni－Mn合金對Co－Fe合金的釘扎；制備工藝簡單、材料性能穩(wěn)定。
文檔編號H01L43/00GK1510701SQ0215797
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者代波, 蔡建旺, 賴武彥, 代 波 申請人:中國科學(xué)院物理研究所