用退火法重置自 旋阀材料钉扎方向的研究李健平1，2， 钱正洪1，2， 白茹1， 孙宇澄1，2（ 1． 杭州电子科技大学 磁电子中心， 浙江 杭州310018； 2． 四川大学材料科学与工程学院， 四川 成都610065）［摘磁保持不变，制备的自旋阀材料的巨磁电阻率为 9． 30% 。 在 245 ℃ 的线Pa） 环境下， 对在相同条件下制备的自 旋阀材要］用磁控溅射法制备了被钉扎层为 CoFe/Ｒu/CoFe 的 IrMn 基底钉扎自旋阀材料，制备过程中自 由层与被钉扎层的生长料样品在恒定外加磁场下退火 2 h，退火磁场方向与自 由层易磁化轴垂直，退火磁场大小分别为 1 kOe， 3 kOe，5 kOe，7 kOe。 用四探针法测试了退火后材料的磁...

　　用退火法重置自 旋阀材料钉扎方向的研究李健平1，2， 钱正洪1，2， 白茹1， 孙宇澄1，2（ 1． 杭州电子科技大学 磁电子中心， 浙江 杭州310018； 2． 四川大学材料科学与工程学院， 四川 成都610065）［摘磁保持不变，制备的自旋阀材料的巨磁电阻率为 9． 30% 。 在 245 ℃ 的线Pa） 环境下， 对在相同条件下制备的自 旋阀材要］用磁控溅射法制备了被钉扎层为 CoFe/Ｒu/CoFe 的 IrMn 基底钉扎自旋阀材料，制备过程中自 由层与被钉扎层的生长料样品在恒定外加磁场下退火 2 h，退火磁场方向与自 由层易磁化轴垂直，退火磁场大小分别为 1 kOe， 3 kOe，5 kOe，7 kOe。 用四探针法测试了退火后材料的磁电阻曲线。 实验发现，当退火磁场为 5 kOe 时，自旋阀材料的钉扎方向完全转到与自由层易磁化轴垂直的方向，并且保持了退火前的的巨磁电阻率。 当退火磁场增大为 7 kOe 时，退火后自 旋阀材料的巨磁电阻率增大到 10． 19% 。［关键词］CoFe/Ｒu/CoFe， 自 旋阀， 退火［中图分类号］ TB34［文献标识码］ A［文章编号］ 1001 － 1560（ 2013） 增刊 2 － 0083 － 03［收稿日 期］20130810［基金项目］科技部 973 子课题（ No． 2011CBA00602） ；浙江省重大科技专项（ No． 2011C11047） ； 浙江省教育厅 磁电子材料和器件 创新团队（ No． 2009［171 ］ ） 和浙江省科技厅创新团队（ No． 2010Ｒ50010） 资助［通信作者］李健平（ 1986 － ） ， 博士研究生， 从事磁性材料和磁敏传感器研究0前言自 1991 年 B． Dieny 在 NiFe/Cu/NiFe/FeMn 自 旋阀结构中发现了巨磁电阻效应后， 自 旋阀结构多层膜的研究倍受关注［1］。 自 旋阀结构多层膜具由于具有高灵敏度、 低饱和场， 被广泛应用于读写磁敏传感器［2 ～ 4 ］、 磁头［5 ～ 7］、 磁电信号隔离耦合器件［8 ～ 10 ］等磁电子器件中。 自旋阀材料中的交换偏置作用及其机理仍然是自 旋阀材料研究中的一个关键问题。 交换偏置指的是铁磁/反铁磁双层膜中存在的界面交换祸合现象压。当铁磁/反铁磁双层膜在一定大小的磁场中冷却到反铁磁层的尼尔温度以下时，其界面自 旋会形成有序排列和紧密耦合， 从而铁磁层磁矩被钉扎在固定方向（ 钉扎方向） 。 传统结构自 旋阀材料的交换偏置场比较小（ 500 ～ 600 Oe） ， 为了获得交大的交换偏置场一般采用人工合成反铁磁结构 CoFe/Ｒu/CoFe 作为被钉扎层［11］。 CoFe/Ｒu/CoFe 作为被钉扎层受到关注主要是由于其较强的反铁磁耦合以及良好的热稳定性，其中相邻两层 CoFe 之间的作用是随着非磁性 Ｒu 层厚度的变化在铁磁耦合与反铁磁耦合之间震荡，通过控制 Ｒu 层的厚度可以让相邻两层 CoFe 之间产生强烈的反铁磁耦合。 在自旋阀材料中为了减小磁滞实现线性化，要求钉扎方向与自由层的易磁化方向垂直［13］，通常将自由层和被钉扎层的生长磁场转动 90， 于是自由层的感生单轴各向异性垂直于被钉扎层的钉扎方向。 对于生长磁场不变的情形，诱导出来的自 由层易磁化轴方向与钉扎方向相互平行。本工作研究了用磁场退火法将钉扎方向与自 由层易磁化轴方向平行的自 旋阀材料的钉扎方向重置到与自 由层易磁化轴垂直方向。1试验利用高真空磁控溅射设备 Nordico 9606 在 6 英寸 SiO2/Si衬底上沉积了具有 NiFeCr4． 5 nm/NiFe4． 0 nm/CoFe1． 0 nm/Cu2． 15 nm/Co Fe2． 2 nm/Ｒu0． 925 nm/CoFe2． 0 nm/IrMn12． 0nm/Ni-Fe-Cr 5． 0 nm 结构的自旋阀结构多层膜，其中以 NiFeCr作为缓冲层和覆盖层，IrMn 作为钉扎层， 被钉扎层是人工合成反铁磁材料 （ CoFe/Ｒu/CoFe） ，背底线Torr。在溅射过程中，诱导磁场的方向不变， 这样使得诱发的自 由层易磁化轴与钉扎方向相同。 为了保持样品初始条件的一致性，在沉积好自旋阀材料的硅片上相互邻近的区域取样。 各组材料在退火前的磁电阻率大小均介于 9． 20% ～ 9． 36% ， 为了便于分析比较， 本文中将材料退火前的磁电阻率统一近似为9． 30% 。 对各组样品在 245 ℃ 的线Pa） 环境下， 沿着与自由层易磁化轴垂直的方向分别施加大小不同的磁场退火 2 h，退火磁场大小分别为 1 kOe， 3 kOe， 5 kOe， 7 kOe。 在室温下，用四探针法测得各组样品的磁电阻曲线 是自 旋阀材料的膜层配置图，退火前该膜层配置的自旋阀材料巨磁电阻率大小为 9． 30% 。 退火前自 旋阀材料的磁电阻曲线 的箭头分别表示自由层（ FL） 和被钉扎层（ PL1和 PL2） 的磁化方向。 箭头指向的变化说明了随着施加在自由层易磁化轴方向的外部磁场大小的变化，自由层和被钉扎层的磁化方向的变化情况。 当外部磁场很小时，钉扎方向平行或者反向平行于自由层的磁化方向（ 图 2A， B） ； 随着外部磁场的增大， 反铁磁耦合在一起的 PL1和 PL2的磁矩方向开始转动从而引起钉扎方向的改变， 导致磁电阻的减小。 在某一时刻，钉扎方向会与自 由层磁化方向相互垂直（ 图 2C， D） 。 随着外部磁场的进一步增大到超过 PL1和 PL2之间的耦合场大小时，FL、PL1和 PL2的磁化方向将会变得一致， 此时， 自 旋阀材料呈现最低阻值状态（ 图 2E， F） 。 被钉扎层的磁化方向在外磁场作用下发生的这种转动使得用磁场退火法重置自 旋阀材料的钉扎方向变为可能。 用磁场退火法重置自 旋阀材料钉扎方向83用 退 火 法 重 置 自 旋 阀 材 料 钉 扎 方 向 的 研 究