MgO/GoFeB/Ta多层膜中垂直磁各向异性的研究以及亚铁磁绝缘体制备

摘要

众所周知，电子除了电荷之外，还存在另外一个内禀自由度:自旋。所以，除了利用电子的电荷，也可以利用电子的自旋属性来存储和处理信息，于是凝聚态物理学中就产生了一个新的研究领域:自旋电子学。在自旋电子学领域飞速发展的今天，自旋流的产生、自旋流的注入以及探测等技术已经被科研工作者们逐渐掌握并且运用;在此同时，各种各样基于自旋流工作的自旋电子学器件也在生活中发挥着巨大的作用。
　　自从进入20世纪以来，科学技术的发展速度越来越快，逐渐出现了各种各样的高科技电子设备，并且更新速度也是越来越迅速。而今天的科研工作者，为了满足人们的需要，为了提高信息存储的密度和读写的速度，对磁电阻的研究正在火热进行。由于具有垂直磁各向异性的磁性隧道结具有工作磁场较小、灵敏度较高、饱和磁场较低等优点，能够在一些自旋电子器件中发挥自己的优势，比如在磁传感器、TMR磁头和磁随机存取存储器（MRAM）中，于是得到了科学家们的关注。而CoFeB是制备具有垂直磁各向异性磁性隧道结的重要材料，所以探究它的PMA也是格外重要的。
　　本论文的工作之一，就是致力于制备具有PMA的CoFeB薄膜，探究了MgO/CoFeB/Ta三层膜，以及优化后的多层膜结构（Ta/MgO/CoFeB/Ta/MgO）各层薄膜的厚度、溅射功率及退火温度等条件对其垂直磁各向异性的影响。然后利用反常霍尔效应(AHE)表征了薄膜的垂直磁各向异性。通过实验发现，在溅射气压为0.2Pa、CoFeB层的溅射功率在10w到15w之间，并且当CoFeB层的厚度介于0.8nm到1.2nm时，沉积态的MgO/CoFeB/Ta结构具备较好的垂直磁各向异性，且改变Ta层的厚度时对其影响不大。优化薄膜的结构后，发现使薄膜呈现垂直磁各向异性的CoFeB的厚度范围变大了，并且当在0.6nm—3nm之间改变靠近CoFeB层的MgO层厚度时，如果MgO层的厚度太薄，将不利于薄膜垂直磁各向异性的形成，而且在适当的温度下退火的薄膜会拥有更好的垂直磁各向异性。
　　最近，随着自旋电子学的迅猛发展，由于铁磁共振线宽窄、吉尔伯特阻尼系数低的亚铁磁绝缘体材料具有良好的磁学性质，近几年被广泛的用于自旋霍尔磁电阻(SMR)、逆自旋霍尔效应(ISHE)、自旋赛贝克效应(SSE)等热门课题的研究当中。其中铥铁石榴石(Thulium iron garnet，TmIG)和镥铁石榴石(Lutecium iron garnet，LuIG)就因其优良的磁性性能得到了科研工作者们的广泛关注。
　　本论文的另外一项工作就是亚铁磁绝缘体TmIG和LuIG溅射用靶材的烧结。通过与传统的固相反应烧结工艺做对比，选择利用硝酸融合烧结法来烧制靶材，从而克服了原材料融合不充分这一缺点，成功烧结出了直径为两英尺、单位质量饱和磁化强度分别为15.40emu/g和16.97emu/g的高纯度的TmIG和LuIG圆柱形溅射用靶材，XRD衍射图像显示靶材成分为TmIG和LuIG多晶，为下一步利用磁控溅射法制备高纯度的单晶纳米薄膜奠定了基础。

目录

声明

摘要

1．1 自旋电子学简介

1．2 隧穿磁电阻(TMR)

1．2．1 隧穿磁电阻的物理机制

1．2．2 隧穿磁电阻的理论模型—Julliere模型

1．3 磁各向异性薄膜

1．3．1 磁晶各向异性

1．3．2 垂直磁各向异性

1．3．3 MgO／CoFeB界面垂直磁各向异性的来源

1．3．4 具有垂直磁各向异性薄膜结构的研究意义

1．4 石榴石型铁氧体简述

1．5 本论文研究内容及目的

第二章 样品的制备与测试分析方法

2．1 磁性纳米薄膜的制备技术

2．1．1 基片的选择与清洗

2．1．2 磁控溅射镀膜技术

2．1．3 掩膜板的选择

2．2 样品的表征分析方法

2．2．1 X射线衍射仪(XRD)

2．2．2 交变梯度磁强计(AGM)

2．2．3 台阶仪(细微形状测定仪)

2．2．4 反常霍尔电压测试

第三章 MgO／CoFeB／Ta及Ta／MgO／CoFeB／Ta／MgO的垂直磁各向异性

3．1 引言

3．2 MgO／CoFeB／Ta结构薄膜的垂直磁各向异性

3．2．1 CoFeB层厚度的变化对薄膜PMA的影响

3．2．2 CoFeB层溅射功率的变化对薄膜PMA的影响

3．2．3 Ta层厚度的变化对薄膜PMA的影响

3．3 Ta／MgO／CoFeB／Ta／MgO结构薄膜的垂直磁各向异性

3．3．1 CoFeB层厚度的变化对薄膜PMA的影响

3．3．2 MgO层厚度的变化对薄膜PMA的影响

3．3．3 真空退火温度对薄膜PMA的影响

3．4 本章小结

第四章 TmIG和LuIG的靶材烧结及其表征

4．1 引言

4．2．1 硝酸融合烧结法原理

4．2．2 硝酸融合烧结法流程

4．3 TmIG和LuIG靶材的表征

4．3．2 LuIG靶材XRD测试

4．3．3 TmIG和LuIG靶材的AGM测试

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本论文的主要工作与取得的成果

5．2 本论文的不足之处与工作展望

参考文献

致谢

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