WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 8 05;06;12 Спин-вентильные магниторезистивные структуры на основе многослойных пленок Co/Tb 1 © А.В. Свалов,1 П.А. Савин,1 Г.В. Курляндская,2,3 И. Гутиеррес,2 В.О. Васьковский 1 Уральский государственный университет им. А.М. Горького, 620083 Екатеринбург, Россия 2 Университет Страны Басков, Бильбао, Испания 3 Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, Россия e-mail: andrey.svalov@usu.ru (Поступило в Редакцию 25 декабря 2001 г.) Исследовано влияние толщины слоев на магнитные свойства многослойных пленок {Co/Tb}n, {Co/Tb}n/Co и {Co/Tb}n/Co/Cu/Co. Получены зависимости гистерезисных и магниторезистивных свойств структур {Co(1nm)/Tb(1nm)}n/Co(5nm)/Cu(LCu)/Co(5nm) от толщины слоя {Co/Tb}n и прослойки меди. Показана возможность создания спин-вентильных структур на основе многослойных пленок {Co/Tb}n, обладающих плоскостной анизотропией.

Введение температуре. Однако такие пленки обладают перпендикулярной магнитной анизотропией. Причем на образцах Изменение взаимной ориентации намагниченностей со сторогой перпендикулярной анизотропией прилегаюферромагнитных слоев, разделенных проводящей немаг- щие ферромагнитные слои не обнаруживали магнитного нитной прослойкой, под воздействием внешнего магнит- смещения. Для его существования необходима хотя бы ного поля может приводить к изменению электросопро- небольшая плоскостная компонента намагниченности тивления слоистой структуры. Данный эффект получил в слое TbCo [5]. Альтернативой аморфным пленкам название гигантского магнитосопротивления (ГМС) [1].

TbCo могут служить многослойные пленки Tb/Co, коВ настоящее время разработаны и внедрены в практику торые также проявляют магнитную компенсацию и обустройства, работающие на его основе, например считы- ладают достаточно высокой Hc [7]. В нашей рабовающие головки в магнитных записывающих системах те показана возможность получения спин-вентильных или датчики положения и/или скорости движущихся ча- структур на основе многослойных пленок Co/Tb с плосстей. Многослойные структуры, в которых наблюдается костной анизотропией и исследованы зависимости гиГМС, условно могут быть разделены на две группы:

стерезисных и магниторезистивных свойств структур сверхрешетки типа Fe/Cr, где магнитные слои антифер- {Co/Tb}n/Co/Cu/Co от толщины слоев {Co/Tb}n и Cu.

ромагнитно упорядочены через немагнитную прослойку [2], и так называемое спин-вентильные структуры, Образцы и методика эксперимента в которых послойное перемагничивание обусловлено разной коэрцитивной силой слоев или наличием в одном Многослойные пленки были получены с помощью из слоев однонаправленной анизотропии (магнитного радиочастотного ионно-плазменного напыления путем смещения) [3,4]. Для формирования однонаправленной анизотропии применяются дополнительные („закрепля- последовательного осаждения слоев на стеклянные или ющие“) слои из антиферромагнитных или магнитотвер- кремниевые подложки в атмосфере аргона. Скорость дых материалов [1]. Среди антиферромагнетиков, ис- напыления была предварительно определена на более толстых однородных пленках методом Толанского и мапользуемых в спин-вентильных структурах, наибольшее внимание исследователей в настоящее время привлекает лоугловой рентгеновской дифракцией и составляла для диэлектрик NiO. Он обеспечивает высокую температуру слоев кобальта 2.5 nm/min, а тербия и меди — 5 nm/min.

блокировки, т. е. температуру, при которой пропадает Пленки осаждались в постоянном магнитном поле наобменная связь между антиферромагнитным и контакти- пряженностью 100 Oe, параллельном плоскости подложрующим с ним ферромагнитным слоем. Из материалов ки. Его присутствие было необходимо для создания с большой коэрцитивной силой Hc для „закрепляющего“ в плоскости пленки оси легкого намагничивания (ОЛН).

слоя были успешно использованы аморфные ферримаг- В спин-вентильных структурах {Co/Tb}n/Co/Cu/Co толнитные пленки TbCo. Кроме большой Hc они обладали щины „свободного“ (отделенного прослойкой Cu) и „завысокой температурой блокировки в спин-вентильных крепленного“ (контактирующего со структурой Tb/Co) структурах FeNi/Cu/FeNi/TbCo и FeNi/Cu/Co/TbCo [5,6]. слоев кобальта были фиксированы и равнялись 5 nm.

Для достижения высоких значений Hc в пленках TbCo Кроме того, выдерживались неизменными толщины слоавторы названных работ использовали составы, харак- ев кобальта и тербия в многослойной пленке {Co/Tb}n, теризующиеся магнитной компенсацией при комнатной которые равнялись 1 nm. Варьировались количество пеСпин-вентильные магниторезистивные структуры на основе многослойных пленок Co/Tb риодов многослойной пленки n в интервале от 8 до и толщиной медной прослойки LCu от 1 до 5 nm.

В нашей работе в качестве „свободного“ ферромагнитного слоя использовалась пленка Co толщиной LCo = 5 nm. Коэрцитивная сила этого слоя менялась от образца к образцу в пределах 35–40 Oe. Пленки кобальта, как правило, требуют больших полей для пере магничивания, чем пленки пермаллоя, но при этом они обеспечивают больший магниторезистивный эффект [8].

Толщина LCo = 5 nm также выбрана в расчете на наибольшее ГМС [1,9].

В качестве закрепляющего слоя мы использовали многослойные пленки {Co(1nm)/Tb(1nm)}n. Как показали предварительные исследования, такие пленки обладают плоскостной анизотропией. Спонтанная намагниченность монотонно возрастала в широком температурном интервале от 90 до 370 K, что говорит о ферримагнетизме слоистой системы. Коэрцитивная сила пленок превышала 200 Oe при комнатной температуре. Нужно также отметить, что при толщинах слоев менее 1 nm в многослойных пленках наблюдалась перпендикулярРис. 1. Магнитометрическая (a) и магниторезистивная ная компонента намагниченности, а при существенно (b) петли гистерезиса для структуры {Co(1nm)/Tb(1nm)}16/ больших толщинах слоев температурные изменения на Co(5nm)/Cu(2.5 nm)/Co(5nm). На вставке — частная магнимагниченности носили немонотонный характер.

торезистивная петля, измеренная в диапазоне полей от -Магнитные свойства пленок исследовались с помодо +150 Oe.

щью магнитооптического эффекта Керра, вращательного анизометра и СКВИД-магнитометра (Quantum Design).

Магнитосопротивление определялось мостовым метопленки (Co) соответственно; Hc2 — коэрцитивная сила дом на образцах в виде полосок 122mm при силе тока магнитожесткой пленки ({Co(1nm)/Tb(1nm)}n).

через образец 1.5 mA. Под величиной ГМС понимается Полагая A = 1 10-6 erg/cm, Ms = 1400 G, величина R/R = (Ra - Rp)/Rp, где Ra и Rp — (Hc2 - Hc1) 200 Oe, получим tc 60 nm. Таким обраэлектросопротивление спин-вентильной структуры с пазом, выбранная нами толщина Co(5nm) должна обеспераллельной и антипараллельной взаимной ориентацией чить образование „субструктуры“ {Co(1nm)/Tb(1nm)}n/ намагниченности „свободного“ и „закрепленного“ слоев Co(5nm), которая ведет себя в магнитном поле как едиCo соответственно.

sub ное целое. Коэрцитивная сила такой субструктуры Hc должна находиться в диапазоне от коэрцитивной силы Результаты и обсуждение пленки Co(5nm) до коэрцитивной силы многослойной пленки {Co(1nm)/Tb(1m)}n. Эксперимент подтвердил Одним из важных этапов в формировании спинсделанные оценки.

вентильной структуры является создание магнитного На рис. 1, a представлена петля гистерезиса, по„закрепления“ одного из слоев. В нашем случае это лученная с помощью СКВИД-магнитометра на полосуществлялось за счет обменной связи относительно ностью сформированной спин-вентильной структуре толстого слоя Co со слоем Tb, заканчивающим мно{Co/Tb}16/Co/Cu(2.5 nm)/Co. Магнитное поле прикладыгослойную структуру {Co(1nm)/Tb(1nm)}n. Фактически валось вдоль ОЛН. Резкие изменения намагниченности, слой Co и структуру {Co(1nm)/Tb(1nm)}n можно раснаблюдающиеся на этой петле, соответствуют пересматривать как две пленки с разными коэрцитивными магничиванию „свободного“ и „закрепленного“ слоев силами, взаимодействующие посредством прямого обкобальта, которые происходят в полях 40 и 170 Oe сомена. Это позволяет оценить критическую толщину tc, ответственно. На рис. 1, b показана магниторезистивная ниже которой перемагничивание связанных пленок бупетля, измеренная на той же пленке при приложении дет происходить по единой петле гистерезиса. Для этого магнитного поля и тока вдоль ОЛН. Из сравнения используем соотношение, предложенное в работе [10], рис. 1, a и b можно заключить, что изменение сопротивления структуры происходит при изменении взаимной A t, ориентации намагниченности „свободного“ и „закрепMs (Hc2 - Hc1) ленного“ слоев, т. е. реализуется ГМС.

где A, Ms, Hc1 — константа обменного взаимодействия, На вставке к рис. 1, b представлена частная магнитонамагниченность и коэрцитивная сила магнитомягкой резистивная петля, измеренная в полях, меньших поля Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 56 А.В. Свалов, П.А. Савин, Г.В. Курляндская, И. Гутиеррес, В.О. Васьковский эффекта прослойки, а также рассеяния электронов в объеме прослойки. В совокупности приведенные данные показывают, что значительное увеличение LCu с целью уменьшения Hb нерационально, так как влечет за собой уменьшение ГМС. В исследованных нами структурах область оптимальных толщин медной прослойки составила 1.7–2.5 nm.

Шунтирующим эффектом, влияющим на величину R/R, обладает и „закрепляющий“ слой, т. е. многослойная пленка {Co(1nm)Tb(1nm)}n. Очевидно, что для уменьшения шунтирования необходимо уменьшать число периодов n. Но, с другой стороны, при малых n происходит падение коэрцитивной силы субструктуры {Co(1nm)Tb(1nm)}n/Co(5nm). Это иллюстрирует sub рис. 3 (кривая 1). Уменьшение Hc приводит к снижеРис. 2. Зависимости поля смещения Hb для структунию разницы в полях перемагничивания „свободного“ ры {Co/Tb}60/Co/Cu(LCu)/Co (a) и R/R (b) для структур и„закрепленного“ слоев. В результате не обеспечивается {Co/Tb}n/Co/Cu(LCu)/Co (n = 60 ( ), 30 (•), 16 ( ), 8( )) от строго антипараллельное расположение намагниченнотолщины медной прослойки LCu.

стей в этих слоях при перемагничивании „свободного“ слоя, и, как следствие, изменяются форма магниторезистивной петли и величина R/R. В частности, наличие перемагничивания „закрепленного“ слоя. Она несколько горизонтального участка на магниторезистивной петле, смещена по оси полей относительно значения H = 0, показанной на рис. 4, a, при n = 60 убедительно что является следствием взаимодействия „свободного“ и свидетельствует о раздельном перемагничивании сло„закрепленного“ слоев Co через прослойку меди. Аналогичная смещенная петля перемагничивания „свободного“ слоя наблюдалась с помощью магнито-оптического эффекта Керра. Поле перемагничивания „свободного“ слоя представляет собой сумму коэрцитивной силы этого слоя и поля смещения Hb. Связь магнитных слоев через прослойку меди может быть как связью через микроотверстия, существующие в прослойке, так и магнитостатической связью, обусловленной неровностью поверхности слоев. Мерой силы этой связи является поле Hb. Такое взаимодействие препятствует раздельному перемагничиванию слоев и существованию строго антипараллельного расположения намагниченностей в соседних слоях, а следовательно, уменьшает ГМС. Естественно полагать, что эта связь будет тем меньше, чем больше толщина прослойки меди LCu. На Рис. 3. Зависимость коэрцитивной силы субструктуры sub {Co(1nm)Tb(1nm)}n/Co(5nm)Hc и R/R для спин-венрис. 2, a представлена зависимость Hb(LCu) для структутильной структуры {Co(1nm)/Tb(1nm)}n/Co(5nm)/Cu(2.5 nm)/ ры {Co/Tb}60/Co/Cu(LCu)/Co. Видно, что при LCu = 5nm C0(5nm) от толщины слоя {Co(1nm)/Tb(1nm)}n.

величина Hb незначительна и возрастает с уменьшением LCu. При LCu = 1 mm связь между слоями Co становится настолько сильной, что вся спин-вентильная структура ведет себя как единое целое и перемагничивается вся целиком в больших полях. Изменение магнитных свойств структуры влечет за собой изменение ее магниторезистивных свойств. На рис. 2, b показаны зависимости величины ГМС — R/R от толщины прослойки Cu в образцах, которые содержат разное число периодов в структуре {Co(1nm)/Tb(1nm)}n. При малых величинах LCu ГМС отсутствует и появляется с ростом LCu только при наличии раздельного перемагничивания „своРис. 4. Магниторезистивные петли гистерезиса для бодного“ и „закрепленного“ слоев. Дальнейшее увеличе- спин-вентильных структур {Co(1nm)/Tb(1nm)}n/Co(5nm)/ ние LCu снижает R/R (кривая 1) из-за шунтирующего Cu(2.5 nm)/Co(5nm): n = 60 (a), n = 8 (b).

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Спин-вентильные магниторезистивные структуры на основе многослойных пленок Co/Tb ев. При n = 8 магниторезистивная петля (рис. 4, b) [5] Freitas P.P., Leal J.L., Plaskett T.S. et al. // J. Appl. Phys.

1994. Vol. 75. N 10. P. 6480–6482.

имеет существенно иной вид. Острый пик указывает [6] Oliveira N.J., Ferreira J.L., Pinheiro J. et al. // J. Appl. Phys.

на отсутствие четко выраженного антипараллельного 1997. Vol. 81. N 8. P. 4903–4905.

расположения намагниченностей соседних слоев. На[7] Shan Z.S., Sellmyer D.J. // Handbook on the Physics and личие двух противоположных тенденций в изменении Chemistry of Rare Earth. Amsterdam: North Holland, 1996.

ГМС при варьировании толщины закрепляющего слоя Vol. 22.

{Co(1nm)/Tb(1nm)}n определяет немонотонный харак[8] Parkin S.S.P. // Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 61. P. 1358–1360.

тер зависимости ( R)/R(n) (рис. 3, кривая 2).

[9] Tumanski S. // Thin Film Magnetoresistive Sensors. Bristol;

Разница между полями перемагничивания слоев, влияPhiladelphia: IOP Publishing Ltd, 2001. 441 p.

sub ющая на R/R, зависит не только от Hc, но и от эффек[10] Йелон А. // Физика тонких пленок. Т. 4. М.: Мир, 1973.

тивности взаимодействия слоев через прослойку меди.

С. 228–333.

Это следует из сравнения зависимостей ( R/R)(LCu) для образцов с разным n, показанных на рис. 2, b.

Видно, что чем меньше n, тем большая толщина прослойки необходима для осуществления раздельного перемагничивания „свободного“ и „закрепленного“ слоев и появления ГМС. В итоге можно получить примерно одинаковое R/R при разных комбинациях толщин слоя {Co(1nm)Tb(1nm)}n и прослойки Cu.

Выводы В данной работе показана возможность получения многослойных ферримагнитных пленок {Co(1nm)Tb(1nm)}n с плоскостной анизотропией и создания на их основе спин-вентильных структур. Определено влияние толщины слоя {Co(1nm)Tb(1nm)}n, а также прослойки меди на поля перемагничивания магнитных слоев и магниторезистивные свойства спин-вентильной структур {Co/Tb}n/Co/Cu/Co. Наибольший магниторезистивный эффект величиной 2.8% был получен в случае структуры {Co(1nm)/Tb(1nm)}16/Co(5nm)/Cu(2.5 nm)/Co(5nm).

Авторы выражают благодарность A. Pea за помощь в проведении эксперимента. Г.В. Курляндская благодарит коллектив Departamiento de Electricidad y Electronica Universidad del Pas Vasco за всестороннюю поддержку во время ее работы там в качестве приглашенного профессора. Некоторые измерения были сделаны в центре коллективного пользования SQUID UPV/EHU.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.