基于NiMn的铁磁/反铁磁系统中交换偏置研究进展

NiMn合金薄膜作为一种高性能的反铁磁材料在巨磁电阻器件中具有重要的应用前景,引起了物理学及材料学等领域内广大科研工作者的浓厚兴趣。本文综述了NiMn合金薄膜的基本性质,并对NiMn基铁磁/反铁磁双层膜的交换偏置的基本特征进行了分析。     

激光加热退火处理对NiMn基磁性薄膜交换偏置场的影响

通过激光加热对Ni81Fe19(15 nm)/Ni45Mn55(x nm)磁性双层膜进行快速退火处理,系统研究了激光辐照参数对交换偏置场(Hex)大小的影响。结果表明,激光的能量密度强烈影响双层膜交换偏置效应,并存在一个能量密度的阈值(约为150mJ/cm2),此时磁性双层膜能够产生较明显的交换偏置现象。磁性双层膜的Hex随着能量密度的进一步增加逐渐变大,但随后减小直至完全消失。当NiMn层厚度为25nm时,经激光加热退火处理后双层膜的Hex最大值约为26.2kA/m,略大于常规退火后的Hex值(22.3kA/m)。     

室温交换偏置效应的研究进展

交换偏置效应是指材料在外加磁场或不加磁场冷却后,磁滞回线沿磁场轴发生偏移的现象.它已成为研究信息存储技术的重要理论基础,在诸如磁传感器、磁存储读头以及磁自旋阀等电子器件中有着不可或缺的作用.因此,近年来引起了研究者极大的关注和研究.交换偏置效应广泛存在于纳米核壳结构的颗粒,多层膜体系以及块状合金中.但是,目前研究的具有交换偏置效应的绝大多数材料体系都在低温下(T≤50 K)才可以出现交换偏置效应,从而在很大程度上限制了交换偏置效应在实际中的应用.经过多年的探索和研究,在部分薄膜体系、纳米核壳结构和近补偿的亚铁磁体系得到了室温交换偏置效应.本文将对近年来室温下的交换偏置效应研究进行详细的整理和总结,分析了现阶段室温交换偏置效应研究中存在的问题及面临的挑战,希望能为室温交换偏置效应体系的研究提供参考.     

硬磁/反铁磁交换耦合对反铁磁FeMn稳定性影响研究

采用磁控溅射方法在SiO2基体上制备了FePt/FeMn/NiFe/Ta多层膜样品,通过FeMn/NiFe双层膜交换偏置的变化研究了硬磁FePt不同磁化状态对反铁磁层FeMn的影响。实验表明,磁化了的L10相FePt能使FeMn在较薄的情况下(4.5nm)对NiFe产生比较强的交换偏置;而未被磁化的FePt对FeMn/NiFe交换偏置影响并不明显。认为更薄的反铁磁层对另外的铁磁层产生交换偏置是由于硬磁与反铁磁的界面交换耦合作用能增强反铁磁的稳定性。     

磁性材料交换偏置效应研究进展

磁性材料中交换偏置效应对自旋电子学的基础研究和应用发展起到了至关重要的作用,因此也成为无机非金属材料的研究中最为活跃的领域之一.由于交换偏置效应来源于铁磁/反铁磁界面处的交换耦合作用,所以相关的研究工作主要集中在铁磁/反铁磁双层膜体系;在一些基态为反铁磁的类钙钛矿锰氧化物中,由于存在相分离形成的铁磁团簇也观察到了交换偏置现象;此外,很多磁性材料纳米化后也出现了交换偏置效应.主要从这3方面介绍了在新材料体系中交换偏置效应的研究进展,以及交换偏置效应在自旋相关器件中的应用,提出了一些研究中面临的挑战并对发展方向作出展望.     

氧化物反铁磁Cr2O3薄膜的研究进展

氧化物反铁磁Cr2O3薄膜在自旋电子学器件中有着广泛的应用.重点论述了反铁磁Cr2O3的早期基础性研究,以及反铁磁Cr2O3薄膜在交换偏置和磁电效应方面的研究进展.最后指出了氧化物反铁磁Cr2O3薄膜研究中存在的部分问题,并展望了它的发展前景.     

界面掺杂FeMn对CoFe/CrPt交换偏置体系的影响

采用磁控溅射的方法制备了CoFe/CrPt钉扎的交换偏置体系,用外加磁场真空退火以获得钉扎场.通过把反铁磁的FeMn掺入到该钉扎体系中发现,约0.7nm厚度的FeMn掺入在CoFe/CrPt的界面时,可以使体系的钉扎场从原来的5.6×103A/m增加到1.55×104A/m,而体系的Blocking温度仍然可以达到600℃.     

铁磁/反铁磁双层膜中的磁化性质与界面微结构

采用Monte Carlo模拟方法,通过反铁磁层中非磁性掺杂方式调节铁磁层与反铁磁层界面微结构,讨论了其界面微结构对体系的磁滞回线的不对称性、交换偏置场及矫顽场的影响.模拟结果显示:在同一掺杂浓度下,体系的磁滞回线的不对称性及交换偏置场强烈地依赖于掺杂方式,但矫顽场几乎不受影响,其相应的温度特性亦依赖于掺杂方式.它表明铁磁/反铁磁双层膜体系中的磁滞回线的不对称性以及交换偏置场与其界面微结构密切相关,同时实验上人们可通过界面微结构的改变获得交换偏置场大、矫顽场小且热稳定性好的自旋阀结构.     

织构和界面粗糙度对NiFe/FeMn双层膜交换偏置场的影响

采用磁控溅射方法制备NiFe/FeMn双层膜（分别以Ta、Cu作为缓冲层，Ta作为保护层）。实验发现，以Ta为缓冲层的NiFe/FeMn双层膜的交换偏置场比以Cu为缓冲层的NiFe/FeMn双层膜的交换偏置场大，而矫顽力却很小。我们从织构、界面粗糙度两方面对其中的原因进行了分析。以Ta为缓冲层的NiFe/FeMn双层膜有好的织构且NiFe/FeMn界面较平滑，这引起了较强的交换偏置场和较低的矫顽力。     

交换耦合双层膜PtMn/Co的微观结构和磁性

采用磁控溅射法在Si（100）基片上沉积了PtMn／Co双层膜，研究退火温度与样品微结构以及磁性的关系，发现退火温度越高，反铁磁性PtMn层由fcc非磁性相向fct反铁磁性相转变越充分，交换偏置场值Hex越高。同时，随着退火温度的升高，反铁磁层的晶粒尺寸逐渐增大，交换偏置场Hex值随着反铁磁层晶粒尺寸的增大几乎呈线性增加。研究了交换偏置场与铁磁层、反铁磁层厚度的关系，结果表明，在250℃退火时Hex与PtMn厚度关系为有峰值的曲线，此退火温度下反铁磁层临界厚度为20nm，最佳反铁磁层厚度为60nm。还发现了交换偏置场Hex随着铁磁性Co层厚度的增大几乎呈线性降低，充分说明铁磁、反铁磁交换耦合作用是一种界面耦合效应。     

NiFe/IrMn多层膜制备及MgO掺杂研究

采用磁控溅射制备了Ta/NiFe/IrMn/Ta薄膜,研究了反铁磁IrMn的溅射功率和铁磁层NiFe厚度对多层膜交换偏置场的影响。在反铁磁IrMn中插入MgO,发现MgO含量对交换偏置场有一定影响。随着MgO含量的增加,多层膜的交换偏置场逐渐增大,当MgO的含量约为2.5%交换偏置场达到最大值。随着MgO含量进一步增加交换偏置场下降。在IrMn中插入适量的MgO可以有效地增加交换偏置场。     

Mn成分对CoFe/Pt_(50)(Cr_(100-x)Mn_x)_(50)体系交换偏置的影响

采用直流磁控溅射的方法制备了CoFe/Pt-CrMn交换偏置体系,反铁磁的Pt-CrMn是利用[Pt/CrMn]n多层膜并经过300℃、2h的退火获得。通过调整Mn的成分,系统地研究了体系交换偏置场的变化。获得了钉扎性能良好的L10相反铁磁钉扎材料Pt-CrMn,即CoFe/Pt50(Cr88Mn12)50钉扎体系,其界面交换耦合能为0.22×10-7J/cm2,截止温度(blocking temperature)为480℃。     

Positive and negative exchange bias in IrMn/NiFe bilayers

We present the observation of double shifted hysteresis loops in IrMn/NiFe bilayer structures. The bilayer structures were fabricated using high vacuum DC magnetron sputtering system. The hysteresis loops of the as deposited samples show the double shifted loops at NiFe layer thicknesses 5 nm and 6 nm, whereas the IrMn layer thickness was kept constant at 15 nm. The results were interpreted as the contribution of both positive and negative exchange bias fields. We suppose that this phenomenon is occurring due to the ferromagnetic (FM) layer exchange coupled with the antiferromagnetic (AFM) layer in two different magnetization directions. The ferromagnetic coupling of the interface spins in some regions of the film generates the hysteresis loop shift toward negative fields and antiferromagnetic coupling toward positive fields in the other regions. The double shifted hysteresis loops disappeared after magnetic field annealing of the samples above Neel temperature of the AFM layer. The X-ray diffraction patterns of the sample show the IrMn (111) crystalline growth necessary for the development of exchange bias field in this system. The correlation between the Magnetic Force Microscopy (MFM) domain structures of the as deposited sample and the magnetization reversal process of the double shifted hysteresis loops were discussed. The results suggest that the larger multidomain formation in the AFM layer with different magnetization directions was responsible for the positive and negative exchange bias fields in IrMn/NiFe bilayer samples.     

偏压对MPCVD金刚石薄膜织构生长的影响

通过偏压激波等离子体化学气相沉积法（ＭＰＣＶＤ）成功地在Ｓｉ（１００）上生长出具有（１００）织构的金刚石薄膜。阐述了实验过程,讨论了偏压对（１００）织构金石薄膜成核与生长条件的影响,偏压有助于成核密度的提高和有利于（１００）织构生长,采用ＳＥＭ、Ｒａｍａｎ光谱等对所得榈进行了表征。     

Reduction of crystallization temperature of the Aurivillius phase in Nd-doped SrBi2Ta2O9 thin films via substrate bias

Nd-doped SrBi₂Ta₂O₉ films were sputtered on Pt/Ta/SiO₂/Si substrates under various substrate biases. The radio frequency bias results in the reduction of the Aurivillius phase crystallization temperature. At 48 W, the crystallization temperature of film is lowered at a magnitude of about 80 °C. When the bias further increases, Aurivillius phase formation is suppressed due to too deficient Bi in film. The film deposited at 48 W after annealing at 670 °C shows ferroelectric characteristics. The remnant polarization of the films increases as the annealing temperature is increased.     

偏压对直流磁控溅射Fe-N薄膜结构及性能的影响

为了揭示偏压对溅射态Fe-N薄膜磁学行为的影响规律及机理,采用直流磁控溅射工艺在不同偏压下制备了Fe-N薄膜.利用掠入射X射线衍射、小角X射线散射技术和振动样品磁强计研究了薄膜的相结构、厚度、表面粗糙度以及磁性能.结果表明,增加偏压有利于薄膜中非晶的形成,且随着偏压的增大,薄膜的厚度增加,表面粗糙度降低.Fe-N薄膜的磁性能表明,随着偏压的增加,薄膜的饱和磁化强度和矫顽力均有不同程度的减小.偏压的增加导致Fe-N薄膜由晶态向非晶态转变,从而引起磁性能的改变.     

钴基非晶薄带交换偏置现象稳定性和可控性的研究

钴基(Co58Fe5Ni10Si11B16)非晶薄带在一定温度范围内做热磁处理之后,由于薄带内有少量磁性较硬结晶相析出,其磁矩对非晶软磁基体的钉扎作用使样品出现交换偏置行为。在研究过程中采用X射线衍射仪、高分辨透射电镜表征样品相组成及微观结构,利用冲击检流测量法测试其磁滞回线,通过扫描探针显微镜观测薄带表面磁畴,由此深入分析内在磁矩配置情况。结果表明,在利用横向冲击场调控钴基薄带交换偏置行为的过程中存在临界场。当横向冲击场低于临界场时,结晶相磁矩几乎不受其影响,交换偏置行为呈稳定状态;而大于临界场时,结晶相磁矩在其冲击作用下按自由能最小原则重新配置,交换偏置行为可通过调节横向冲击场的大小有效调控。     

脉冲偏压对等离子体沉积DLC膜化学结构的影响

以乙炔为气源，用等离子体基脉冲偏压沉积（plasma based pulsd bias deposition缩写PBPBD）技术进行了不同负脉冲偏压条件下制备DLC膜的试验，通过X射线光电子谱（XPS）、激光喇曼光谱[Raman]以及电阻分析方法考察了负脉冲偏压幅值对DLC膜化学结构的影响，结果表明由-50kV到-10kV随负脉冲偏压降低，DLC膜中SP^3键分数单调增加，但当脉冲偏压为0时形成高电阻的类聚合物膜，说明荷能离子的轰击作用形成DLC化学结构的必要条件，键角混乱度和SP^2簇团尺寸与脉冲偏压之间不具有单调关系，在中等幅值负脉冲偏压条件下，键用混乱度较大且SP^2簇团尺寸细小。     

电弧离子镀中不同偏压模式对TiN薄膜形貌的黄美东

用扫描电子显微镜观察了电弧离子镀中各种不同偏压模式：不加偏压、加不同直流偏压和加幅值相同但占突比不同的脉冲偏压情况下获得的TiN薄膜的表面形貌,结果表明,脉冲偏压可以大大减小膜表面的大颗粒尺寸和数量,显著改善表面形貌。