[科普中国]-合成反铁磁结构

合成反铁磁结构是在两铁磁层之间插入隔层Ru，当Ru层厚度小于1 nm时，Ru层两侧的铁磁层具有强烈的反铁磁耦合作用，这种反铁磁耦合效应有效地提高了钉扎场，明显减小隔离层的静磁耦合作用和减少被钉扎层的退磁场，同时Ru层对原子扩散还有一定的抑制作用。

合成反铁磁结构对自旋阀巨磁电阻效应的影响用直流磁控溅射方法制备了双合成反铁磁结构Co90Fe10(5 nm)/Ru(xnm)/Co90Fe10(3 nm)/Ru(ynm)/Co90Fe10(5nm)(x=0·45，0·45，1·00；y=0·45，1·00，1·00)的系列样品，并对样品的性能及其作为钉扎层对自旋阀巨磁电阻(GMR)效应的影响进行了研究。结果表明，双合成反铁磁结构比普通合成反铁磁结构Co90Fe10(5 nm)/Ru(0·5 nm)/Co90Fe10(3 nm)具有更优越的性能，并且双合成反铁磁结构作为钉扎层对自旋阀的GMR有很大提高。1

室温下测得的磁滞回线在室温下测得的磁滞回线。指出当Ru层厚度为0·5 nm时，合成反铁磁结构的样品A的饱和场Hs约为168 A/m，矫顽力Hc为0·89 A/m，饱和磁化强度Ms为15·4 A/m，其中两铁磁层的反铁磁耦合作用最强。

在室温下测量得到的磁滞回线。可以看出，三个双合成反铁磁结构的饱和磁场强度很接近，约为196 A/m，但是饱和磁化强度最低，约为9·6 A/m。这是因为当Ru层厚度为0·45 nm时，Ru两侧的相邻铁磁层之间的反铁磁耦合作用最强，强烈的反铁磁耦合作用使得Co/Ru界面的磁矩倾斜，从而降低了饱和磁化强度。而当Ru层厚度为1 nm时，Ru两侧的相邻铁磁层之间的反铁磁耦合作用很弱，对饱和磁化强度的影响很小。因为双合成反铁磁结构增加了两个Co90Fe10/Ru界面，Co90Fe10/Ru界面的自旋倾斜，并且在界面处会形成CoRu合金，使铁磁层的有效厚度减小，形成磁死层，从而降低了饱和磁化强度更适合作为合成反铁磁结构。1

合成反铁磁结构的稳定性及效应1991年Dieny等利用反铁磁层的交换耦合作用成功设计出铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层的自旋阀结构。这种结构的材料被应用于高灵敏度传感器件和高密度存储技术中。由于反铁磁材料存在热稳定性问题，在实际应用中受到一定限制。合成反铁磁结构具有很好的热稳定性，并要求其中的铁磁层具有较高的饱和场、低矫顽力、低饱和磁化强度。常用的合成反铁磁结构是Co90Fe10(3 nm)/Ru(0·5 nm)/Co90Fe10(5 nm)。

采用双合成反铁磁结构有效地提高了饱和场，降低了饱和磁化强度，并通过在不同温度下对其进行真空退火，发现双合成反铁磁结构具有很好的热稳定性，并且双合成反铁磁结构作为钉扎层对自旋阀的巨磁电阻(GMR)效应有明显提高。1

合成反铁磁结构的基垂直交换耦合复合薄膜随着信息量的急剧膨胀，迫切要求信息存储系统的容量急剧增加。在众多的信息存储技术中，磁记录技术仍是最主要的大容量存储技术。由于超顺磁效应的限制，ITb/in2的存储密度是普通记录介质的极限。LI0-FePt有序合金作为新一代磁记录介质材料，具有极高的磁晶各向异性（107erg/cc），在超细晶粒尺寸（3～5nm）情况下仍具有很高的热稳定性，可以实现10Tb/in2的超高面记录密度。为了解决FePt热稳定性和可写性的矛盾，交换藕合介质（Exchange coupled composite，ECC）被提出并受到广泛研究。在ECC介质的研究中，不同的软磁材料作为软磁层与硬磁层FePt藕合，如Fe、[Co/X]（X=Ni、Pt）多层膜等，且在一定程度上降低了矫顽力保持了热稳定性。然而为了使ECC介质的矫顽力足够小，必须要增加软磁层的厚度，这必将带来热稳定性的下降以及开关场分布（SFD）变宽。为了解决这些问题，一种改进的反铁磁交换藕合的结构被提出（AFC－ECC），即将ECC单元与软磁材料反铁磁藕合在一起。通过在FePt上生长合成反铁磁结构实现了这种结构。围绕着基于LI0FePt的垂直取向型AFC－ECC介质进行了一系列的研究工作。2

当Ru的厚度为0.21nm时，回线的形状与铁磁材料的磁滞回线相同，磁性层间的藕合为铁磁藕合。增加Ru的厚度至0.42nm时，磁滞回线则由三个小回线组成，此时对应的是反铁磁藕合。两个磁性层间的反铁磁藕合作用会产生一个平行于外场的交换偏置场，HEx的定义其大小为第一个小回线中必处的磁场相对于零场的偏离。反铁磁称合强度JAf和HEx的关系为：JAF = HEx MstF和tF分别是[Co/Ni]5的饱和磁化强度和厚度。可知Ru厚度为0.42nm时的反铁磁藕合最强，为1.01lerg/cm2。Ru层厚度增加到0.63nm时，HEx变小，反铁磁藕合强度开始减弱，回线开始出现阶梯。随着Ru的厚度继续增大时，铁磁藕合和反铁磁藕合将会再次出现。这种磁性层间交换藕合随非磁性中间层厚度振荡变化的行为可以由RKKY相互作用解释。Co磁性层与Ru层的传导电子相互作用在它附近诱导出自旋极化，自旋极化通过Ru层传播最后与另一端的磁性层Co发生作用，从而在两个磁性层之间产生了有效的相互作用。然而RKKY理论有其局限性，因为它只考虑了空间层对层间交换藕合的作用而忽略了磁性层的影响，所以不能解释藕合振荡的幅度和相位问题。Bruno考虑了自由电子波的多重反射效应，认为藕合的强度和相位由中间层和磁性层界面处电子自旋相关反射决定。而电子的反射率反过来又由空间层和磁牲层中的自旋相关干涉确定。所以Co/Ni]5/Ru/[C〇/Ni]10结构中的交换藕合作用不仅有Ru层的贡献而且还受[Co/Ni]磁性层的影响。2

合成反铁磁结构的滋化方向的翻转主要是外磁场能和交换藕合能共同作用的结果。当外加磁场由正饱和场向负饱和场扫描时，随着外加场的减小，反铁磁藕合能将强于外磁场能。由于[Co/Ni]5的磁矩小于[Co/Ni〕10的磁矩，所叫〔Co/Ni]5的磁化方向最先在5120 Oe处由正转负，[Co/Ni〕10仍保持原方向。此时两层铁磁层的磁化方向相反，而净磁矩的方向为正。当外加磁场向负场増加到1.91kOe时，在外磁场能作用下和反铁磁称合能的共同作用下，[Co/Ni]5和[Co/Ni]10都会发生磁化翻转，[Co/Ni]5磁化方向与正场方向一致，而[Co/Ni]10变换到负场方向。随着外加磁场的维续増大，外磁场能将克服反铁磁称合能，两个磁性层都转向负方向。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学