自旋电子器件用磁性超薄膜的制备和研究

摘要

具有垂直各向异性的磁性薄膜在磁性随机存储器（MRAM）、赛道存储、自旋逻辑等器件中具有重要的应用价值，从而引起了广泛的关注。在目前常见的自旋电子器件中，CoFeB薄膜和Co/Ni多层膜由于具有较大的垂直各向异性（PMA）、低的阻尼常数等，成为自旋电子器件所需的理想磁性薄膜材料。目前最新技术要求自旋电子器件中的薄膜厚度大约在纳米量级，这就对磁性薄膜的制备提出了更高的要求，这涉及到材料学中的一些基本问题，因此从材料学的角度研究磁性超薄膜的制备过程，讨论制备条件对其微结构和磁性的影响就显得尤为重要。本文围绕如何获得具有良好垂直各向异性的CoFeB薄膜和Co/Ni多层膜，研究了CoFeB薄膜中磁性层的厚度、衬底层的种类及生长方式和薄膜沉积顺序对CoFeB薄膜垂直各向异性的影响；对Co/Ni多层膜研究了衬底层对多层膜垂直各向异性的影响，以及多层膜的磁性层厚度和周期数对Co/Ni多层膜磁性和磁畴结构的影响，并对磁性层厚度和周期数变化影响多层膜磁畴结构的物理机制进行了讨论。最终得到以下结论：　　1. 在Ta/CoFeB/MgO结构中，当磁性层CoFeB厚度介于1.0 nm~1.4 nm时，薄膜表现出较好的垂直各向异性，而且在CoFeB厚度为1.2nm时薄膜垂直各向异性最好，此时Ta层与磁性层之间存在0.3nm的死层。　　2. 使用Pt和W衬底未能制备出具有垂直各向异性的磁性薄膜，这是由两个方面的因素导致的：第一这和不同重金属层/磁性层之间的界面各向异性有关；第二W在低溅射速率下容易形成岛状结构，不利于获得具有良好垂直各向异性的CoFeB薄膜，而Pt在生长过程中容易形成岛状结构，也很难制备出具有良好垂直各向异性的CoFeB薄膜，不过可以在Pt层下插入一层Ta作为缓冲层，来改善Pt衬底层的生长环境，可以获得具有良好垂直各向异性的CoFeB薄膜。　　3. 在CoFeB薄膜中，改变氧化物层与重金属层的沉积顺序会极大地影响薄膜的垂直各向异性，这是由于MgO层在生长过程中会形成粗糙的界面，使CoFeB层形成颗粒状薄膜或较多岛状结构，恶化薄膜的垂直各向异性。　　4. 使用Pt和Ta/Pt结构的衬底层都可以诱导Co/Ni多层膜沿（111）晶向生长，使多层膜表现出较好的垂直各向异性。但是加入Ta缓冲层既可以薄膜提供良好的生长环境，强化多层膜沿（111）晶向生长还可以降低衬底层和磁性层之间的界面粗糙度，明显增强多层膜的垂直各向异性。　　5. 增加Co/Ni多层膜中Co的厚度和周期循环数都可以使薄膜的磁滞回线由矩形转变为领结形，同时减小薄膜迷宫畴结构的磁畴宽度。这是因为磁性层和周期数的增加都会升高薄膜的静磁能，由于畴壁能和静磁能的竞争关系，薄膜会通过分畴来降低静磁能，增加畴壁能，宏观上表现为磁畴变细，所以静磁能的增加是导致薄膜磁畴发生变化的主要原因。

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关键词：薄膜生长，垂直各向异性，CoFeB薄膜，Co/Ni多层薄膜

Abstract

第一章绪论

1.1 超薄膜中的巨磁电阻效应（GMR）与隧道磁电阻效应（TMR）

1.2 磁性随机存储器（MRAM）

1.3 垂直各向异性超薄膜的研究现状

1.4 论文研究目的

第二章薄膜制备与测试方法

2.1 薄膜制备

2.2 薄膜生长理论

2.2.1 薄膜形核过程

2.2.2 薄膜生长过程

2.3 磁控溅射

2.4 薄膜表征

2.4.1 薄膜厚度和形貌的测量

2.4.2 薄膜微结构的表征

2.4.3 薄膜磁性的表征

第三章垂直各向异性CoFeB超薄膜的制备与磁性

3.1 磁性层厚度对薄膜垂直各向异性的影响

3.2 重金属/CoFeB/MgO/Ta结构中重金属对薄膜磁性的影响

3.2.1 不同重金属层对薄膜磁性的影响

3.2.2 重金属衬底层生长状况对薄膜磁性的影响

3.2.3 小结

3.3 薄膜生长顺序对薄膜垂直各向异性的影响

第四章Co/Ni多层薄膜的磁性

4.1 衬底层对Co/Ni多层膜垂直各向异性的影响

4.1.1 不同衬底层制备具有垂直各向异性的Co/Ni多层膜

4.1.2 小结

4.2 磁性层对多层膜垂直各向异性的影响

4.2.1 Co/Ni多层膜磁性层变化对薄膜磁性的影响

4.2.2 Co/Ni多层膜磁性层变化对薄膜磁畴结构的影响

4.2.3 小结

第五章总结

参考文献

在学期间的研究成果

致 谢