一种垂直磁各向异性多层膜

摘要

一种垂直磁各向异性多层膜[Ni(x)/Co2MZ(y)]n，其易磁化轴方向垂直于薄膜平面，属于磁性材料领域。其特征在于：Co2MZ为L21、B2或A2结构的半金属Heusler合金组分，M为Fe、Cr、Mn等元素，Z为Al、Si、Ge、B等元素，各层膜厚度x、y为0.6nm＜x＜20nm，0.4nm＜y＜5nm，[Ni(x)/Co2MZ(y)]周期结构的重复数目为2＜n＜20。本发明的优点在于：该薄膜具有高垂直磁各向异性场，可以通过控制Ni层与Co2MZ层的厚度调节矫顽力，并显著低于传统垂直磁各向异性膜的矫顽力，因此它可以用作垂直自旋阀或磁隧道结中的铁磁层，应用时能够克服小尺寸下的磁卷缩和涡旋磁畴结构，且矫顽力可调，能够满足超高灵敏度和存储密度的磁传感器或存储器的使用要求。

权利要求

1.一种垂直磁各向异性多层膜，其特征在于：多层膜结构为[Ni(x)/Co2MZ(y)]n，Co2MZ为L21、B2或A2结构的半金属Heusler合金组分，M为Fe、Cr或Mn元素，Z为Al、Si、Ge或B元素，结构中，M位置为一种或两种元素占据，Z位置也为一种或两种元素占据，具体占据的比例不作要求，但要求保证Co∶M∶Z的原子比为2∶1∶1；各层膜厚度x、y为0.6nm＜x＜20nm，0.4nm＜y＜5nm，[Ni(x)/Co2MZ(y)]周期结构的重复数目为2＜n＜20；其性能达到：薄膜的矫顽力在10Oe到1000Oe间，垂直磁各向异性场介于5000Oe到10000Oe区间，400℃退火后薄膜仍保持垂直磁各向异性。

说明书

一种垂直磁各向异性多层膜

技术领域

[0001] 本发明属于磁性材料领域，特别涉及一种新型垂直磁各向异性多层膜，其易磁化轴方向垂直于薄膜平面。

背景技术

[0002] 信息存储单元的尺寸决定了存储密度的高低，近年来存储单元的尺寸日益减小，使得磁存储密度不断提高，因此磁存储技术得以飞速发展。磁存储薄膜的磁化方向分为平
行于膜面和垂直于膜面，即平面内磁各向异性薄膜和垂直磁各向异性薄膜。目前广为使用
的磁性金属纳米薄膜的磁化方向均为平面内磁各向异性，当该种薄膜的尺寸降低到亚微米
以下时，会出现磁化卷缩(magnetization curling)、涡流磁化(Vortexmagnetization)，
甚至超顺磁性等现象，因此抑制了存储密度的进一步提高。采用垂直磁各向异性薄膜为
存储单元能够解决尺寸效应引入的综合磁性质退化。垂直磁各向异性金属纳米多层膜是
S.Maat等人在2001年提出的[S.Maat et al.，Phys.Rev.Lett.87，087202(2001)]，该薄
膜的磁各向异性的易轴垂直于膜面，当其被加工到亚微米甚至更小的尺寸时，可以同时克
服磁化卷缩、涡流磁畴和超顺磁等平面内磁各向异性磁性膜的致命缺陷。由此可见，垂直
磁各向异性薄膜材料是解决磁存储技术发展所遇到的尺寸瓶颈问题的关键材料，它为提高
磁存储密度提供了一种有效的途径。目前垂直磁各向异性薄膜主要有(Co/Pt)n，(Co/Ni)
n，FePt和TbCoFe等结构(n表示双层膜重复次数)[H.Sakurai et al.，J.Appl.Phys.102，
013902(2007)]。但迄今为止，所有垂直磁各向异性薄膜的性能都不是很理想，具体表现在
它们的矫顽力过高，难以翻转，不适合用作计算机读出磁头或磁场传感器。例如目前最常用
的TbCoFe材料，其矫顽力在1000Oe以上。

发明内容

[0003] 本发明目的在于提供一种垂直磁各向异性周期性多层膜[Ni(x)/Co2MZ(y)]n，以获得一种易磁化轴垂直于薄膜平面方向的垂直磁各向异性薄膜，这种新型薄膜材料不仅能够
克服小尺寸下的磁卷缩和涡旋磁畴结构，而且具有低的矫顽力，适合应用在新型磁性存储
或传感器件中。

[0004] 一种垂直磁各向异性多层膜，多层膜结构为[Ni(x)/Co2MZ(y)]n，其中Co2MZ为L21、B2或A2结构的半金属Heusler合金组分，M为Fe、Cr、Mn等元素，Z为Al、Si、Ge、B等元素，
结构中，M位置为一种或两种元素占据，Z位置也为一种或两种元素占据。具体占据的比例
不作要求，但要求保证Co∶M∶Z的原子比为2∶1∶1。x、y为各层膜厚度(0.6nm＜x
＜20nm，0.4nm＜y＜5nm)，n为周期结构[Ni(x)/Co2MZ(y)]的重复数目(2＜n＜20)。

[0005] 通过选择不同种类的Co2MZ半金属Heusler合金组分，调节重复单元的厚度x、y，以及重复单元数目n，可以实现薄膜的矫顽力在10Oe到1000Oe间调节，垂直磁各向异性场
介于5000Oe到10000Oe区间，400℃退火后薄膜仍保持垂直磁各向异性。

[0006] 本发明的优点在于：[Ni(x)/Co2MZ(y)]n多层膜在0.6nm＜x＜20nm，0.4nm＜y＜5nm且2＜n＜20范围内为垂直磁各向异性，具有高垂直磁各向异性场，通过控制Ni层
与Co2MZ层厚度，使矫顽力在10Oe到1000Oe范围内可调，并显著低于TbCoFe等传统垂直
磁各向异性膜的矫顽力。因此该多层膜材料可以作为铁磁层应用于垂直自旋阀或磁隧道结
中，应用时能够克服小尺寸下的磁卷缩和涡旋磁畴结构，矫顽力可调，且具备半金属磁性材
料的磁特性，能够满足超高灵敏度和存储密度的磁传感器或存储器的使用要求。

具体实施方式

[0007] 根据上述多层膜组分和结构，采用磁控共溅射法制备了下列20种[Ni(x)/Co2MZ(y)]n多层膜，其特点是Co2MZ为L21、B2或A2结构的半金属Heusler合金组分，M为
Fe、Cr、Mn等元素，Z为A1、Si、Ge、B等元素。

[0008]矫
的
向
方 )
面膜 eO(
直 力 6 00 00 02 0 06 05 02 0 08 02 06 02
垂 顽 1 8 1 1 1 4 1 5 9 1 3 5 2
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直垂 场性 009 001 008 058 001 001 008 009 007 001 057 008 009

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])4.0(lAeFo22 ])6.0(lAeFo022 ])8.0(iSeFoC/82 ])6.0(iSeFo012 ])4.0(iSlAeFoC/25.05.02 ])4.0(iSlAeFo025.05.02 ])1(BiSeFo352.057.02 ])1(BiSeFo0152.057.02 ])8.0(lArCo42 ])6.0(lArCo82 ])1(lAeFrCo85.05.02 ])2(lAeFrCo45.05.02 ])6.0(iSeFrCo55.05.02
分组 C/)1 C/)1 )5.1 C/)2 )6.0 C/)1 C/)2 C/)3 C/)2 C/)5 C/)2 C/)3 C/)5
料材 (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[ (iN[

号
序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 01 11 21 31