CoFeB基垂直磁化膜的反?；魻栃?yīng)研究.pdf

1、具有垂直磁各向異性的磁納米結(jié)構(gòu)近年來(lái)開(kāi)始成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究小組的研究熱點(diǎn)之一,而反常霍爾效應(yīng)是研究磁性材料,尤其是垂直磁化膜的強(qiáng)大工具。但目前,反?；魻栃?yīng)還沒(méi)有建立完整的理論體系來(lái)對(duì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出合理的、定量的解釋。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是該效應(yīng)是內(nèi)稟機(jī)制還是外在機(jī)制,以及如何處理雜質(zhì)、缺陷和聲子等散射問(wèn)題。近年來(lái)又有人提出了基于電導(dǎo)區(qū)間的反?；魻枠?biāo)度關(guān)系,但該標(biāo)度關(guān)系在無(wú)序化材料中往往會(huì)受到量子效應(yīng),如弱局域化影響,而使得關(guān)系不再成立。本文以

2、CoFeB材料為研究對(duì)象,通過(guò)反?；魻栃?yīng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),當(dāng)CoFeB厚度分別在1.04nm和1.2nm時(shí),Ta/CoFeB/MgO及MgO/CoFeB/Ta薄膜具有強(qiáng)的垂直各向異性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)CoFeB/Pt多層膜在適當(dāng)?shù)暮穸纫嗑哂忻黠@的垂直各向異性。通過(guò)深入研究CoFeB/Pt垂直磁化多層膜、Ta/CoFeB/MgO及MgO/CoFeB/Ta垂直磁化膜以及非晶態(tài)CoFeB單層膜的磁性及輸運(yùn)特性詳細(xì)討論了其垂直各向異性及其反?；魻栃?yīng)

3、物理機(jī)理。
　　首先,通過(guò)磁控濺射制備了[CoFeB/Pt]N垂直磁化膜,當(dāng)CoFeB的厚度在0.35nm~0.65nm之間時(shí),可以在[CoFeB/Pt]N多層膜中觀察到清晰的垂直磁各向異性,其垂直磁各向異性強(qiáng)烈依賴于CoFeB和Pt層厚度、以及CoFeB/Pt的周期數(shù)。隨CoFeB/Pt周期數(shù)的增加,垂直磁各向異性減弱。當(dāng)N≥5時(shí),霍爾回線呈現(xiàn)蜂腰型,這時(shí)[CoFeB/Pt]N多層膜在零場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)零剩磁。此外還成功的制備了Ta/C

4、oFeB/MgO及MgO/CoFeB/Ta系列的垂直磁化膜,當(dāng)CoFeB厚度分別在1.04nm和1.2nm時(shí),經(jīng)過(guò)300℃左右的退火,上述兩種系列薄膜均具有強(qiáng)的垂直各向異性。該系列樣品的垂直各向異性源自CoFeB/MgO界面,并與Ta、CoFeB、MgO的厚度均具有依賴關(guān)系。
　　其次,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)垂直磁化的CoFeB/Pt多層膜的反?；魻栃?yīng)滿足標(biāo)度關(guān)系:RS=aρxx+bρ2xx。與垂直磁化的Co/Pt多層膜所不同的是,CoF

5、eB/Pt多層膜的是由強(qiáng)的斜散射機(jī)制與弱的邊界跳躍機(jī)制共同構(gòu)成。同時(shí),隨著CoFeB-Pt雙層周期的增加,斜散射機(jī)制得到增強(qiáng)。通過(guò)XRR分析了其粗糙度,認(rèn)為粗糙度的增加是導(dǎo)致斜散射機(jī)制增強(qiáng)的原因。另外,根據(jù)樣品的電導(dǎo)分布區(qū)間和現(xiàn)有的結(jié)果,通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),Ta/CoFeB/MgO系列垂直磁化膜的反常霍爾效應(yīng)中的邊界跳躍機(jī)制大約為斜散射機(jī)制的三倍,也就是說(shuō)邊界跳躍機(jī)制是Ta/CoFeB/MgO薄膜中的反?；魻栃?yīng)的主導(dǎo)機(jī)制。結(jié)合目前已知的內(nèi)稟

6、機(jī)制和斜散射機(jī)制與飽和磁化強(qiáng)度的線性關(guān)系,可以推斷出邊界跳躍機(jī)制引起的反?；魻栯妼?dǎo)與飽和磁化強(qiáng)度也具有正比關(guān)系。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)Ta/CoFeB/MgO系列垂直磁化膜電阻在低溫下具有l(wèi)nT關(guān)系,這說(shuō)明CoFeB薄膜中存在電子的弱局域化現(xiàn)象。
　　為更清楚的分析CoFeB體系的反?；魻栃?yīng),本文對(duì)單層非晶態(tài)CoFeB薄膜做了研究。對(duì)于無(wú)序的(disordered)非晶態(tài)CoFeB薄膜,在較大的厚度范圍內(nèi),其低溫下(<60K)的反?；魻栯娮?/p>

7、及縱向電阻與溫度均具有對(duì)數(shù)依賴關(guān)系,即:RAH、Rxx∝lnT。該現(xiàn)象是由二維(2D)薄膜電子的弱局域化引起。基于電子局域化的非彈性散射機(jī)理,發(fā)現(xiàn)在該厚度范圍內(nèi),弱局域化從2D過(guò)渡至3D,同時(shí)發(fā)現(xiàn)弱無(wú)序度((kFl)-11)的非晶態(tài)CoFeB薄膜的非彈性散射長(zhǎng)度為13nm。實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了弱局域化對(duì)反常霍爾電導(dǎo)的貢獻(xiàn)與薄膜的無(wú)序度有關(guān)。在強(qiáng)無(wú)序度情況下,弱局域化對(duì)反?；魻栯妼?dǎo)貢獻(xiàn)不為零。當(dāng)無(wú)序度減小時(shí),弱局域化對(duì)反?；魻栯妼?dǎo)的貢獻(xiàn)逐步減小。