Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура

Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках и спиновых транзисторах на основе многослойных тонкопленочных наноструктур с анизотропным или гигантским магниторезистивным (МР) эффектом. Одним из основных требований, предъявляемых к подобным наноструктурам, является достижение максимального различия в полях перемагничивания магнитных пленок, входящих в состав этих наноструктур. Это требование определяет работоспособность наноэлементов на базе подобных наноструктур.

Известны многослойные тонкопленочные МР наноструктуры, в которых каждая магнитная пленка перемагничивается в различающемся от других магнитном поле, причем это различие обеспечивается различием в составе пленок, например, FeNi и Со пленки. Недостатком подобных наноструктур является невысокая величина гигантского МР эффекта в микроэлементах на их основе и недостаточное различие в полях перемагничивания магнитных пленок.

Наибольшее распространение получили наноструктуры с двумя одинаковыми по составу, магнитомягкими пленками и с прилегающим к одной из них антиферромагнитным, например FeMn или IrMn, слоем. Благодаря обменному взаимодействию между прилегающими друг к другу магнитомягкой пленкой и антиферромагнитным слоем происходит увеличение поля перемагничивания магнитомягкой пленки за счет сдвига ее петли гистерезиса на величину поля фиксации. Это означает, что многослойная тонкопленочная МР наноструктура становится магнитоанизотропной, т.е. в отсутствие внешнего магнитного поля фиксированная магнитомягкая пленка всегда намагничена в одном направлении. Более того, после прекращения действия магнитного поля, перемагнитившего эту магнитомягкую пленку, она возвращается в исходное состояние, Это важно для понимания работоспособности микро- и наноэлементов, использующих такие наноструктуры. Микро- и наноэлементы на базе таких наноструктур обладают максимальной величиной гигантского МР эффекта. К их недостаткам относится сложность обеспечения повторяемости полей перемагничивания наноструктуры.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание многослойной тонкопленочной МР наноструктуры, имеющей различные поля перемагничивания входящих в нее магнитных слоев, обладающей высокой воспроизводимостью магнитных параметров и расширенными функциональными возможностями.

Указанный технический результат достигается тем, что в многослойнойтонкопленочной магниторезистивной наноструктуре, содержащей первый защитный слой, на котором расположена первая магнитомягкая пленка, разделительный немагнитный слой поверх первой магнитомягкой пленки, на котором расположены вторая магнитомягкая пленка, и второй защитный слой, между второй магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем расположен слой карбида кремния, а разделительный немагнитный слой имеет толщину, достаточную для устранения обменного взаимодействия между магнитомягкими пленками.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что при создании в многослойной тонкопленочной МР наноструктуре полупроводникового слоя карбида кремния, расположенного над верхней магнитомягкой пленкой, между этими двумя слоями возникает обменное взаимодействие. Это взаимодействие приводит к фиксации векторов намагниченности соседней со слоем карбида кремния магнитомягкой пленки, в результате чего перемагничивание магнитомягких пленок происходит раздельно. Для увеличения влияния обменного взаимодействия между магнитомягкой пленкой и полупроводниковым слоем необходимо устранить обменное взаимодействие между двумя магнитомягкими пленками наноструктуры. Это достигается использованием толщины разделительного немагнитного слоя, расположенного между магнитными пленками, достаточной для устранения обменного взаимодействия между магнитными пленками. Особенностью обменного взаимодействия, возникающего между магнитомягкой пленкой и полупроводниковым слоем карбида кремния, является то, что оно проявляется только при воздействии на наноструктуру внешнего магнитного поля и зависит от его величины. Таким образом, появляется функциональная возможность для создания новых микро- и наноэлементов, принцип действия которых учитывает, что различие в полях перемагничивания магнитомягких пленок существует только при воздействии на них внешнего магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена многослойная тонкопленочная МР наноструктура в разрезе; на фиг.2 приведены осциллограммы сигналов перемагничивания в переменном магнитном поле (дифференциальная восприимчивость) FeNi-Ti-FeNi-SiC наноструктур с: a) d_Ti=1,5 нм; b) d_Ti=2,5 нм; c) d_Ti=5 нм; на фиг.3 представлены осциллограммы сигналов считывания FeNi-Ti-FeNi-SiC наноструктур (показана область поля одной полярности) с d_Ti=5 нм для: a) Н=8 Э; b) Н=12 Э; c)Н=20 Э.

Многослойная тонкопленочная МР наноструктура с различающимися полями перемагничивания магнитомягких пленок содержит два защитных слоя 1, 2 (фиг.1), между которыми сформированы две магнитомягкие пленки 3, 4 с разделяющим их немагнитным слоем 5. Между верхней магнитомягкой пленкой 4 и верхним защитным слоем 2 расположен полупроводниковый слой карбида кремния 6.

Работа многослойной тонкопленочной МР наноструктуры с различными полями перемагничивания магнитомягких пленок 3, 4 происходит следующим образом. Рассмотрим вначале, как на перемагничивание наноструктуры при постоянных толщинах магнитомягких пленок 3, 4 влияет толщина разделительного немагнитного слоя 5. На фиг.2 представлены сигналы перемагничивания FeNi(2 нм)-Ti(d)-FeNi(2 нм)-SiC(2,1 нм) наноструктур при действии на них внешнего переменного магнитного поля Н, где толщина немагнитного разделительного слоя титана 5 d_Ti=1,5; 2,5 и 5,0 нм. Можно видеть (фиг.2а), что при d_Ti=1,5 нм обменное взаимодействие между магнитомягкими (пермаллоевыми) пленками 3, 4 превышает взаимодействие между слоем полупроводникового SiC слоя 6 и прилегающей к нему пермаллоевой пленкой 4, и обе пермаллоевые пленки 3, 4 наноструктуры перемагничиваются как единое целое. С ростом толщины разделительного титанового слоя 5 (d_Ti=2,5 нм) происходит ослабление обменного взаимодействия между пермаллоевыми пленками 3, 4. При этом начинает сказываться взаимодействие между пермаллоевой пленкой 4 и полупроводниковым SiC слоем 6, что приводит к разделению на два сигнала перемагничивания (фиг.2b). Это означает, что магнитомягкие пленки 3, 4 начинают перемагничиваться раздельно - у них различные значения коэрцитивной силы Н_c. При дальнейшем росте толщины разделительного немагнитного слоя титана 5 (d_Ti=5,0 нм) обменное взаимодействие между магнитомягкими пленками 3, 4 практически исчезает, в полную силу проявляется обменное взаимодействие между магнитомягкой пленкой и полупроводниковым SiC слоем 6, и сигналы перемагничивания двух магнитомягких пленок полностью разделяются с сохранением тех же тенденций в изменении Н_c этих пермаллоевых пленок. Раздельное перемагничивание магнитомягких пленок 3, 4 говорит о том, что коэрцитивная сила (поле перемагничивания) одной из магнитомягких пленок уменьшилась, а другой - увеличилась, что можно связать с проявлением магнитного взаимодействия между слоем магнитомягкой пленки 4 и немагнитным полупроводниковым SiC слоем 6. При этом для наноструктур с разделительным немагнитным слоем 5 из титана его минимальная толщина составляет 5 нм. При использовании немагнитного разделительного слоя 5 из диэлектрика Al₂О₃, как показали экспериментальные исследования, минимальная толщина такого разделительного слоя составляет 2 нм. То есть подтверждается известная теоретическая и экспериментальная экспонентциальная зависимость падения величины обменного взаимодействия между магнитными пленками с ростом толщины разделительного немагнитного слоя между ними.

Нами установлено, что величина магнитного взаимодействия между магнитомягкой пленкой 4 и полупроводниковым SiC слоем 6 зависит не только от толщины слоя полупроводника, но и от величины внешнего перемагничивающего поля. Для наноструктур с максимальной d_Ti (5,0 нм), при которой отсутствует обменное взаимодействие между магнитомягкими пленками 3, 4, перемагничивание происходит следующим образом. С увеличением амплитуды Н появляется одиночный сигнал перемагничивания с положением пика 2,7 Э (фиг.3a). Это говорит о совместном перемагничивании обеих магнитомягких пленок 3, 4, несмотря на отсутствие обменного взаимодействия между этими пленками и какого-либо влияния полупроводникового SiC слоя 6 на магнитные параметры магнитомягких пленок 3, 4. Отметим, что совместное перемагничивание магнитомягких пленок 3, 4 происходит благодаря наличию размагничивающих магнитных полей на краях этих пленок. По мере увеличения амплитуды перемагничивающего поля происходит уменьшение амплитуды этого сигнала, а по обеим сторонам от него появляются и нарастают два других сигнала с положением пиков 1,6 и 3,5 Э (фиг.3b). Появление двух дополнительных сигналов свидетельствует о начале раздельного перемагничивания магнитомягких пленок 3, 4 из-за возрастающего воздействия на магнитомягкую пленку 4 прилегающего к ней полупроводникового SiC слоя 6. При дальнейшем увеличении амплитуды внешнего магнитного поля Н начальный сигнал исчезает (фиг.3c), и магнитомягкие пленки 3, 4 перемагничиваются независимо, что свидетельствует о сильном магнитном взаимодействии между немагнитным полупроводниковым SiC слоем 6 и магнитомягкой FeNi пленкой 4. Постепенный характер изменения сигналов перемагничивания наноструктуры объясняется неоднородностью ее свойств по площади.

Приведенные результаты показывают, что между магнитомягкой FeNi пленкой 4 и полупроводниковым SiC слоем 6 существует обменное взаимодействие, зависящее от величины внешнего магнитного поля. Можно дать предположительное объяснение наблюдаемой полевой зависимости процессов перемагничивания, состоящее в том, что благодаря взаимной диффузии слоев полупроводника и магнитомягкой пленки образуется тонкий, порядка одного-двух атомных слоев, интерфейс с намагниченностью, возрастающей при увеличении амплитуды перемагничивающего переменного поля.

Таким образом, предложенной тонкопленочной многослойной МР наноструктуре при воздействии на нее внешнего магнитного поля происходит раздельное перемагничивание магнитомягких пленок 3, 4, причем величина поля перемагничивания магнитомягкой FeNi пленки 4, контактирующей с полупроводниковым SiC слоем 6, зависит от его амплитуды. Такое поведение тонкопленочной многослойной МР наноструктуры позволяет создавать наноэлементы с новыми принципами работы, в первую очередь логические и запоминающие МР наноэлементы.

Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура, содержащая первый защитный слой, на котором расположена первая магнитомягкая пленка, разделенный немагнитный слой поверх первой магнитомягкой пленки, на котором расположены вторая магнитомягкая пленка, и второй защитный слой, отличающаяся тем, что между второй магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем расположен слой карбида кремния, а разделительный немагнитный слой имеет толщину, достаточную для устранения обменного взаимодействия между магнитомягкими пленками.