磁性薄膜的有效垂直磁各向異性場的全輸運(yùn)測量

石弼釗

(中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080)

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磁性薄膜的有效垂直磁各向異性場的全輸運(yùn)測量

石弼釗

(中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080)

采用磁控濺射方法，通過金屬掩膜板制備了霍爾棒形狀“CoFeB/MgO”體系薄膜樣品，其中CoFeB層厚度為1.0 nm、1.1 nm、1.2 nm，利用垂直溫度梯度的反常能斯特效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)對其相關(guān)磁輸運(yùn)特性進(jìn)行了測量，所得結(jié)果可分別等效為常規(guī)面內(nèi)和垂直方向的磁滯回線，并由此獲得了薄膜的有效垂直各向異性場.

反?；魻栃?yīng)；反常能斯特效應(yīng)；磁性薄膜；有效垂直磁各向異性場；全輸運(yùn)測量

具有垂直磁各向異性的磁性多層膜一直是磁性薄膜研究的熱點(diǎn). “CoFeB/MgO”體系組成的多層膜材料是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型垂直磁各向異性多層膜. 研究表明，當(dāng)CoFeB厚度在1.0～1.2 nm時，Ta/CoFeB/MgO及MgO/CoFeB/Ta薄膜具有強(qiáng)的垂直各向異性[1].

所謂垂直磁各向異性，即為磁化過程中垂直薄膜表面外磁場所做的功小于平行膜面外磁場時所需要做的功，也就是說，垂直于薄膜表面的磁化相對較為容易. 有效垂直磁各向異性場為有效垂直磁各向異性能的一種等價表現(xiàn)形式，是表征磁性薄膜最重要的物理參量和性能指標(biāo)，原則上在忽略磁疇影響的情形下，可通過測量平行膜面和垂直膜面的磁滯回線獲得. 一般采用振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)、超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)(SQUID)等進(jìn)行測量[2-5]. 這些大型測量設(shè)備比較昂貴，且對于超薄膜情形，樣品的總磁矩小，接近或甚至小于極限靈敏度，測量有效垂直磁各向異性場變得比較困難.

由于輸運(yùn)測量對樣品總磁矩的依賴性并不高，譬如人們往往通過測量反?；魻柣鼐€來等效表現(xiàn)垂直薄膜方向的磁化曲線，這樣可不受薄膜厚度的限制. 不過，由于反常霍爾效應(yīng)對電流、磁場及電壓3個方向互相垂直的要求，面內(nèi)方向的磁化曲線依然無法從類似的磁輸運(yùn)而獲得. 本文提出：通過在垂直膜面方向加一溫度梯度，進(jìn)而通過測量反常能斯特效應(yīng)電壓隨面內(nèi)磁場的變化，可獲得膜面內(nèi)的等效磁化曲線. 本論文結(jié)合反?；魻栃?yīng)和反常能斯特效應(yīng)測量，采用全輸運(yùn)的方式對CoFeB薄膜的有效垂直磁各向異性場進(jìn)行測量.

1 相關(guān)理論簡述

1.1 反?；魻栃?yīng)理論

在置于xy平面內(nèi)的非磁性金屬或半導(dǎo)體薄片中，若沿x軸方向施加一外電場E，沿z軸(薄片所在平面的法線方向)施加一外磁場B，此時材料中的載流子在外加電場所受電場力而沿x軸方向運(yùn)動的同時，還受到外加磁場的洛倫茲力作用在y軸方向發(fā)生橫向附加運(yùn)動，載流子軌跡發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，使得薄片兩側(cè)電荷積累，從而產(chǎn)生霍爾電壓VH，當(dāng)其處于穩(wěn)定狀態(tài)時，載流子受到霍爾電壓產(chǎn)生的電場力與洛倫茲力平衡，軌跡不再發(fā)生偏轉(zhuǎn). 而此時，橫向霍爾電阻率ρxy的大小與外加磁場B的大小成正比，即

ρxy=R0B,

(1)

其中，R0為常規(guī)霍爾系數(shù)，其大小與載流子數(shù)目成反比，其符號取決于載流子的類型. 此現(xiàn)象稱為正?；魻栃?yīng)(OHE).

而對于具有鐵磁性的金屬樣品，橫向電阻率ρxy在(1)式常規(guī)項(xiàng)的基礎(chǔ)上又引入了與樣品磁化強(qiáng)度M有關(guān)的反常項(xiàng)，在樣品達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度Ms時，此反常項(xiàng)大小變?yōu)槌Ａ? 一般地，在樣品未達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度之前，ρxy隨著外磁場B的大小的增加而迅速增加，之后經(jīng)過一拐點(diǎn)后繼續(xù)隨外磁場B緩慢線性增加. 其拐點(diǎn)即為樣品恰好達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度Ms的情況. 顯然，僅利用載流子在外磁場中所受洛倫茲力并不能對此現(xiàn)象進(jìn)行合理地解釋，因而稱之為反?；魻栃?yīng)(AHE). 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般將反?；魻栃?yīng)的橫向電阻率ρxy寫作：

ρxy=R0B+4πRsM,

(2)

其中，Rs稱為反?；魻栂禂?shù)，通常其大于正?；魻栂禂?shù)R0至少1個量級以上，且對溫度有強(qiáng)烈的依賴性[6].

反常霍爾效應(yīng)來自內(nèi)稟和外稟機(jī)制. 內(nèi)稟機(jī)制認(rèn)為，由于自旋-耦合軌道，動量空間布洛赫波函數(shù)的貝里曲率決定了霍爾電導(dǎo)率. 在理想晶體中，利用布洛赫波函數(shù)組成的波包表示晶體載流子在外加電磁場中的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動，可以得到反常速度與外磁場B無關(guān)，其方向與外加電場E垂直. 在完整的布里淵區(qū)內(nèi)，通過積分所有占據(jù)能帶的貝里曲率，可得出晶體的反?；魻栯妼?dǎo)率：

(3)

其中，k為波矢. 外稟機(jī)制主要來自各類雜質(zhì)相關(guān)的散射，包括斜交和側(cè)躍2種具體機(jī)制[7].

1.2 反常能斯特效應(yīng)理論

在置于xy平面內(nèi)的非磁性金屬或半導(dǎo)體薄片中，若沿x軸方向施加溫度梯度T，沿z軸(薄膜所在平面的法線方向)施加外磁場B，此時由于溫度梯度的存在，載流子產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，同時，載流子還將受外加磁場的洛倫茲力的作用，運(yùn)動軌跡因而發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，使得薄片兩側(cè)電荷積累，從而產(chǎn)生能斯特電壓VN，當(dāng)其處于穩(wěn)定狀態(tài)時，載流子受到能斯特電壓產(chǎn)生的電場力與洛倫茲力平衡. 對于溫度梯度恒定的體系，能斯特電場有如下表達(dá)：

(4)

其中，Q0為正常能斯特系數(shù)，能斯特電場場強(qiáng)EN與載流子類型與溫度場、磁場方向有關(guān). 此現(xiàn)象被稱為(常規(guī))能斯特效應(yīng).

與霍爾效應(yīng)類似，對于具有鐵磁性的金屬樣品，能斯特電場在正常項(xiàng)的基礎(chǔ)上又加入了與樣品磁化強(qiáng)度M有關(guān)的反常項(xiàng)，在樣品達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度Ms時，其反常項(xiàng)大小就變?yōu)槌Ａ? 一般地，對于溫度梯度恒定的體系，在樣品未達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度之前，能斯特電場場強(qiáng)EN隨著外磁場B的大小的增加而迅速增加，之后經(jīng)過一拐點(diǎn)后繼續(xù)隨外磁場B緩慢線性增加. 其拐點(diǎn)即為樣品恰好達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度Ms的情況. 顯然，僅利用載流子在外磁場中所受洛倫茲力并不能對此現(xiàn)象進(jìn)行合理地解釋，因而人們稱之為反常能斯特效應(yīng)(ANE). 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般將能斯特電場與溫度梯度(塞貝克系數(shù)S)的比值寫作：

(5)

其中，Qs稱為反常能斯特系數(shù)，在鐵磁性材料中，廣泛存在Qs?Q0. 反常能斯特效應(yīng)的機(jī)理類似反常霍爾效應(yīng)，但更為復(fù)雜.

2 薄膜樣品制備

2.1 基片的選擇、清洗與裝片

單晶硅片(單面拋光)作為薄膜樣品的基片，切割尺寸為5 mm×7 mm. 硅基片的清洗過程如下：

1)將硅片在洗液中浸泡24 h以上. 洗液的配比為：10 g K2Cr2O7+200 mL H2SO4(濃)+25 mL H2O.

2)分別用丙酮和無水乙醇超聲清洗30 min.

3)用去離子水超聲清洗2次，每次15 min.

4)用勻膠機(jī)將基片甩干，備用.

為了便于測量，選擇霍爾棒形狀掩膜板進(jìn)行裝片. 在裝片之前，用無水乙醇對掩膜板與卡箍等進(jìn)行清洗. 裝片完成后用氮?dú)鉀_噴基片表面，并將掩膜板與基片安裝到樣品位上.

2.2 薄膜樣品的參量選擇

在樣品設(shè)計(jì)上，采用“Ta/CoFeB/MgO”典型結(jié)構(gòu). 綜合薄膜界面效應(yīng)的影響并結(jié)合以往對于CoFeB和MgO層厚度的研究，具體如下：

Si/Ta (5 nm)/ CoFeB(1.0 nm)/MgO(2 nm)/Ta(3 nm)；Si/Ta (5 nm)/ CoFeB(1.1 nm)/MgO(2 nm)/Ta(3 nm)；Si/Ta (5 nm)/ CoFeB(1.2 nm)/MgO(2 nm)/Ta(3 nm).

2.3 磁控濺射

本研究的薄膜樣品采用磁控濺射的物理沉積方法(PVD). CoFeB靶與MgO靶采用射頻濺射，Ta靶則利用直流濺射. 濺射臺的背景真空4.6×10-5Pa，氬氣壓pAr=0.5 Pa，Ta靶濺射速度0.061 1 nm/s，CoFeB靶濺射速度0.083 3 nm/s，MgO靶濺射速度0.021 5 nm/s. 薄膜各層的厚度由基片在對應(yīng)濺射靶位上方的停留時間確定.

2.4 樣品的真空退火處理

研究表明，濺射生長的MgO磁隧道結(jié)通常在350 ℃左右的溫度退火一段時間后才能夠讓MgO勢壘層晶化良好，使得磁隧道結(jié)性能提升. 另外，MgO/CoFeB/Ta體系在經(jīng)過退火后，薄膜垂直磁各向異性增強(qiáng)[8]. 本研究在背景真空優(yōu)于0.6×10-4Pa的真空退火爐中將3個樣品進(jìn)行無外磁場300 ℃退火處理，時間為1 h.

3 薄膜樣品的測量

3.1 垂直磁化曲線測量

基于反?；魻栃?yīng)的測量方法可以得到垂直膜面的磁化曲線. 測量示意圖見圖1，霍爾電壓VH滿足：

(6)其中，Rs稱為反?；魻栂禂?shù)，Mz為磁化強(qiáng)度，t為薄膜厚度，B為樣品磁感應(yīng)強(qiáng)度. 由于Rs?R0，因而在較小的磁場下樣品的VH-H圖線，基本就對應(yīng)著垂直磁場的磁滯回線Mz-H[6，9，10]. 嚴(yán)格上，可以通過大磁場的線性關(guān)系，將R0的影響完全扣除.

圖1 垂直方向霍爾回線測量示意圖

3.2 面內(nèi)磁化曲線測量

VN∝zT(Q0B+4πQsMx),

(7)

其中，Q0為常規(guī)能斯特系數(shù)，Qs為反常能斯特系數(shù)，鐵磁性材料中存在Qs?Q0. 扣除線性項(xiàng)的影響，VN-H曲線代表的就是Mx-H曲線.

圖2 面內(nèi)方向磁化曲線測量示意圖

4 測量結(jié)果分析與討論

將3個樣品均進(jìn)行垂直方向霍爾回線的測量，設(shè)置磁場范圍為±1.2×10-2T，步長為1×10-3T，結(jié)果見圖3.

圖3 樣品的霍爾回線

由圖3可以看出3個樣品在垂直方向的磁化飽和場均較小，剩磁比接近100%，可基本判斷薄膜具有垂直磁各向異性. 不過，完整的判據(jù)要求進(jìn)一步結(jié)合面內(nèi)磁化曲線. 通過面內(nèi)和垂直方向的磁化曲線的對比，能真正確認(rèn)薄膜為垂直易磁化還是面內(nèi)各向異性，而兩曲線所包圍的面積對應(yīng)垂直磁各向異性能的大小.

能斯特效應(yīng)回線測量分別3個樣品，設(shè)置磁場范圍為±0.35 T(實(shí)驗(yàn)裝置電磁鐵所能達(dá)到的最大磁場)，步長為2.5×10-2T，得到VN-H測量曲線如圖4所示.

圖4 樣品的反常能斯特電壓測量曲線

由圖可以看出，除CoFeB層厚度為1.0 nm的1#樣品在外場大小為0.35 T時尚未出現(xiàn)趨于飽和的現(xiàn)象，其余2個樣品均在外場較大的情況下出現(xiàn)了趨于飽和的現(xiàn)象. 顯然，3個樣品均已垂直磁化，磁化易軸垂直于膜面，難軸位于面內(nèi). 進(jìn)一步，從能斯特曲線的飽和磁場可以估計(jì)CoFeB層厚度為1.1 nm和1.2 nm時，2個樣品的有效垂直各向異性場約為0.15 T和0.05 T. CoFeB薄膜的垂直磁各向異性主要來自界面，作為一種界面效應(yīng)，厚度越大，界面所占的比例就越小，效應(yīng)自然相對的越小. 對比已有文獻(xiàn)，T.Liu 等人測得Ta(5)/Co40Fe40B20(0.8-2)/MgO(2)/Ta(5)參量樣品在經(jīng)高真空300 ℃退火60 min后，其飽和磁化強(qiáng)度為1.65×106A/m3，根據(jù)其對于磁性薄膜的有效垂直磁各向異性常量與薄膜厚度的擬合研究，界面貢獻(xiàn)參量Ks為1.7×10-3kg/s-2，體貢獻(xiàn)參量Kv幾乎為零[11]. 因而有效垂直磁各向異性場可由有效磁各向異性常量Keff的如下形式進(jìn)行反推：

(8)

(9)

其中，Kv，Ks，t分別為磁性層體和界面對該體系薄膜各向異性的貢獻(xiàn)參量與磁性層的厚度. 經(jīng)反推計(jì)算，T.Liu等人的結(jié)果與本文所測得的有效垂直磁各向異性場的大小基本吻合.

5 結(jié)束語

利用反?；魻栃?yīng)與反常能斯特效應(yīng)對“CoFeB/MgO”體系的有效垂直磁各向異性場進(jìn)行了測量，實(shí)現(xiàn)了對于磁性薄膜的有效垂直磁各向異性場的全輸運(yùn)測量. 在實(shí)際應(yīng)用方面，由于采用全輸運(yùn)測量法，不受磁矩大小與薄膜厚度的影響，對超薄膜尤其有利；另外，全輸運(yùn)測量法僅需要常規(guī)實(shí)驗(yàn)室具備的高精度電測量儀表，無須受制于磁測量相關(guān)的大型儀器設(shè)備，為薄膜磁各向異性表征提供了重要的補(bǔ)充手段.

致謝：本文在中國科學(xué)院物理研究所蔡建旺研究員的指導(dǎo)下完成，薄膜生長和磁輸運(yùn)測量全部在其實(shí)驗(yàn)室完成，其間亦得到鄒呂寬博士和鄭曉麗博士的相關(guān)指導(dǎo).

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[責(zé)任編輯：郭 偉]

SHI Bi-zhao

(High School Affiliated to Renmin University of China, Beijing 100080, China)

Using magnetron sputtering method and a hall-bar shaped metal mask plate, CoFeB/MgO thin film samples were prepared, with CoFeB layer thickness of 1.0 nm, 1.1 nm, and 1.2 nm, respectively. The magnetic transport properties were measured by anomalous Nernst effect in vertical temperature gradient and anomalous Hall effect. The results were equivalent to the hysteresis loops in the conventional plane direction and the perpendicular direction, and thus the effective perpendicular anisotropy field was obtained, which was consonant with the data reported by

.

anomalous Hall effect; anomalous Nernst effect; magnetic thin films; effective perpendicular magnetic anisotropy field; entire transport measurement

2016-06-18

石弼釗(1999-)，男，北京人，中國人民大學(xué)附屬中學(xué)學(xué)生.

學(xué)生園地

O484.43

A

1005-4642(2016)11-0032-04