Спин-вентильная магниторезистивная наноструктура

Полезная модель относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом. Техническим результатом предложения является создание спин-вентильной магниторезистивной наноструктуры, имеющей в качестве фиксирующей пленки - магнитожесткую пленку с высоким полем перемагничивания, что упрощает технологию изготовления наноструктуры. Указанный технический результат достигается тем, что в спин-вентильной магниторезистивной наноструктуре, содержащей первый защитный слой, поверх которого последовательно расположены свободная магнитомягкая анизотропная пленка с осью легкого намагничивания, разделительный слой меди и второй защитный слой между разделительным слоем меди и вторым защитным слоем расположена фиксированная магнитожесткая изотропная Fe₅₀Co₅₀ пленка с высоким полем перемагничивания, не менее 70 Э. 2 илл.

Предложение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных тонкопленочных наноструктур со спин-вентильным магниторезистивным эффектом.

Известны многослойные тонкопленочные анизотропные магниторезистивные наноструктуры (С.И.Касаткин, Н.П.Васильева, A.M.Муравьев Тонкопленочные многослойные магниторезистивные элементы //Тула:Гриф.2001.186 с.), в которых обе магнитомягкие пермаллоевые или FeNiCo пленки, разделенные немагнитным высокорезистивным слоем, устраняющим обменное взаимодействие между этими ферромагнитными пленками, перемагничиваются в одинаковом магнитном поле благодаря магнитостатическому взаимодействию. Недостатком подобных анизотропных магниторезистивных наноструктур является невысокая величина магниторезистивного эффекта, максимальная величина которого не превышает 2,5%.

Этот недостаток устранен в спин-вентильных магниторезистивных наноструктурах, в которых величина магниторезистивного эффекта достигает 15% и более (В.Dieny Giant magnetoresistance in spin-valve multilayers // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. V.136. P.335-359). Данные наноструктуры состоят из свободной магнитомягкой пленки, которая перемагничивается в действующем на нее магнитном поле и фиксированной магнитомягкой пленки, очень слабо реагирующей на магнитное поле. Недостатком этих спин-вентильных магниторезистивных наноструктур является технологически сложный способ формирования фиксации вектора намагниченности магнитомягкой пленки, заключающийся в формировании на поверхности магнитомягкой пленки антиферромагнитного FeMn или IrMn слоя, который, благодаря обменному взаимодействию с магнитомягкой пленкой фиксирует направление вектора намагниченности этой пленки.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим предложением, является создание спин-вентильной магниторезистивной наноструктуры, имеющей в качестве фиксирующей пленки - изотропную магнитожесткую пленку с высоким полем перемагничивания, что упрощает технологию изготовления наноструктуры и магниторезистивного наноэлемента на ее основе.

Указанный технический результат достигается тем, что в спин-вентильной магниторезистивной наноструктуре, содержащей первый защитный слой, поверх которого последовательно расположены свободная магнитомягкая анизотропная пленка с осью легкого намагничивания, разделительный слой меди и второй защитный слой между разделительным слоем меди и вторым защитным слоем расположена фиксированная магнитожесткая изотропная Fe₅₀Co₅₀ пленка с высоким полем перемагничивания, не менее 70 Э.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в спин-вентильной магниторезистивной наноструктуре в качестве фиксированной пленки используется магнитожесткая изотропная Fe5oCo5o пленка. Высокое поле перемагничивание магнитожесткой пленки обеспечивается ее большой коэрцитивной силой, не менее 70 Э, что достигается при магнетронном напылении в вакуумной напылительной установку в одном цикле при наличии постоянного магнитного поля для создания поля магнитной анизотропии магнитомягкой пленки при давлении аргона не менее 8 мТорр.

При этом свободная магнитомягкая анизотропная пленка спин-вентильной магниторезистивной наноструктуры имеет небольшое поле перемагничивания, не более 6 Э. Такая значительная разница в полях перемагничивания свободной и фиксированных пленок позволяет использовать данную спин-вентильную магниторезистивную наноструктуру при создание магниторезистивных наноэлементов. Налие постоянного магнитного поля не создает анизотропии в полях перемагничивания магнитожесткой пленки в двух перпендикулярных направлениях в плоскости пленки, что позволяет, для ряда применений, намагничивать ее перпендикулярно оси легкого намагничивания магнитомягкой пленки, например, для создания вольт-эрстедной характеристики преобразователя магнитного поля.

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена спин-вентильная магниторезистивная наноструктура в разрезе.

На фиг.2 приведена осциллограмма сигналов перемагничивания в переменном магнитном поле вдоль оси легкого намагничивания (дифференциальная восприимчивость) Ti-FeNi-Cu-Fe ₅₀Co₅₀-Ti наноструктуры.

Спин-вентильная магниторезистивная наноструктура содержит два защитных слоя 1, 2 (фиг.1), между которыми сформированы свободная магнитомягкая анизотропная пленка 3, разделяющий Сu слой 4 и фиксированная магнитожесткая изотропная Fe₅₀Co₅₀ пленка 5. Защитные слои 1, 2, обычно, выполняются из высокорезистивных немагнитных металлов (Ti, Та) или их нитридов толщиной 3-5 нм. Их задача - защита свободной 3 и фиксированной 5 ферромагнитных пленок от внешних воздействий при изготовлении и эксплуатации магниторезистивных наноэлементов на их основе, в первую очередь, от влияния кислорода. Толщины свободной 3 и фиксированной 5 ферромагнитных пленок зависит от топологии магниторезистивного наноэлемента и, обычно, лежит в диапазоне 5-10 нм. Толщина разделительного Сu слоя 4 составляет 1-3 нм. Толщина Сu слоя определяет величину магниторезистивного эффекта и выполняет функцию разделения ферромагнитных пленок 3, 5.

Изменение сопротивления AR спин-вентильной магниторезистивной наноструктуры при действии на нее магнитного поля пропорционально косинусу угла между векторами намагниченности двух ферромагнитных пленок 3, 5

R=(/)R(1-cos)

где (/) - величина магниторезистивного эффекта, a R - сопротивление наноструктуры.

Таким образом минимальное и максимальное сопротивление наноструктуры соответствует параллельному и антипараллельному направлению ферромагнитных пленок 3, 5. Спин-вентильный магниторезистивный наноэлемент работает тем лучше, чем больше разница полей перемагничивания свободной магнитомягкой 3 и фиксированной 5 ферромагнитных пленок. Это связано с тем, что под действием внешнего магнитного поля в идеале должна вращением векторов намагниченности перемагничиваться только свободная магнитомягкая анизотропная пленка 3, что позволяет максимально использовать спин-вентильный магниторезистивный эффект для получения наибольшего сигнала считывания. При этом желательно, чтобы по оси трудного намагничивания ферромагнитной пленки перемагничивание движением доменных границ было минимальным. Использование таких пленок приводит к ослаблению влияния гистерезиса на работу магниторезистивного наноэлемента, в первую очерель, на результаты измерения магнитного поля.

Работа спин-вентильной магниторезистивной Ti-FeNi-Cu-Fe₅₀Co₅₀-Ti наноструктуры происходит следующим образом. На фиг.2 представлена осциллограмма сигналов перемагничивания (дифференциальная восприимчивость) наноструктуры, наводимые в катушке считывания, при действии на нее внешнего переменного магнитного поля Н, V(H) вдоль оси легкого намагничивания. Видны две пары сигналов считывания наноструктуры с полем перемагничивания 5,4 Э свободной магнитомягкой анизотропной FeNi пленки 3 и 76 Э - фиксированной магнитожесткой изотропной Fe₅₀Co ₅₀ пленки 5. Поле перемагничивания свободной магнитомягкой пленки зависит от направления внешнего магнитного поля и минимально вдоль оси легкого намагничивания, т.е. данная пленка анизотропна. Проведенные исследования режимов магнетронного напыления Fe ₅₀Co₅₀ пленки 5 показали, что, при давлении аргона не менее 8 мТорр, происходит резкое увеличение поля перемагничивания магнитожесткой изотропной пленки 5 до величины не менее 70 Э. Поле перемагничивания магнитожесткой пленки 5 не зависит от направления внешнего магнитного поля, т.е. данная пленка изотропна. При этом поле перемагничивания свободной магнитомягкой FeNi пленки 3 остается небольшим, не более 6 Э, что делает данную наноструктуру пригодной для использования в магниторезистивных наноэлементах без использования дополнительного антиферромагнитного FeMn или IrMn слоя для фиксации векторов намагниченности второй анизотропной магнитомягкой пленки, расположенной между разделительным Си слоем 4 и антиферромагнитным FeMn или IrMn слоем.

Положительные результаты получены при использовании в спин-вентильных магниторезистивных наноструктурах в качестве свободных магнитомягких пленок -FeNiCo ₆ пленок. Одиночная FeNiCo₆ пленка при используемой в наноструктурах толщине 5-10 нм имеет коэрцитивную силу 1-2 Э и поле магнитной анизотропии около 8-10 Э. Данная ферромагнитная пленка является более перспективной по сравнению с пермаллоевой FeNi пленкой из-за более высокой величины МР эффекта, большей воспроизводимости пленок и уменьшенного влияния гистерезиса. Максимальная величина магниторезистивного эффекта составила 3%.

Таким образом, предложенные спин-вентильные магниторезистивные Ti-FeNi-Cu-Fe₄₀Co₅₀-Ti и Ti-FeNiCo-Cu-Fe ₅₀Co₅₀-Ti наноструктуры имеют фиксированную магнитожесткую изотропную Fe₅₀Co₅₀ пленку с высоким полем перемагничивания (не менее 70 Э) и свободную магнитомягкую анизотропную пленку с небольшим полем перемагничивания (не более 6 Э), что является достаточным для нормального функционирования магниторезистивных наноэлементов на их основе.

Спин-вентильная магниторезистивная наноструктура, содержащая первый защитный слой, поверх которого последовательно расположены свободная магнитомягкая анизотропная пленка с осью легкого намагничивания, разделительный слой меди и второй защитный слой, отличающаяся тем, что между разделительным слоем меди и вторым защитным слоем расположена фиксированная магнитожесткая изотропная Fe₅₀ Co₅₀ пленка с высоким полем перемагничивания не менее 70 Э.

РИСУНКИ