磁电子学讲座第七讲自旋阀巨磁电阻效应及其应用

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1、* ? 国家自然科学基金资助重大项目1997- 10- 14 收到初稿, 1997- 12- 30 修回磁电子学讲座第七讲 ?自旋阀巨磁电阻效应及其应用*卢 ?正 ?启( 中国科学院物理研究所, 磁学国家重点实验室, 北京? 100080)? ? 摘? 要? ? 自旋阀巨磁电阻材料具有工作磁场小、 灵敏度高、 频率特性好、 信噪比高等优点, 成为新一代高密度读出磁头的首选材料, 在计算机信息存贮和高灵敏传感器方面有着广阔的应用前景.关键词? ? 自旋阀, 巨磁电阻, 信息存贮1? 引言磁电阻 MR( magnetoresistance) 效应是指物质在磁场作用下电阻发生变化的现象. 早在185

2、7 年, W. T homson 首先发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻( AMR) 效应. 到本世纪 20年代量子力学建立后, 科学家才能解释该现象的成因. 由于科学发展水平和技术条件的限制,各向异性磁电阻在相当长的时间内未引起人们太多的 关注. 直到 1971 年, Hunt 提出 利用 AMR 效应来制作磁盘系统的读出磁头, 从此对计算机磁存贮技术产生了深刻影响. 薄膜磁电阻磁头与感应式磁头相比, 具有灵敏度高、 频率特性好等优点 1. 频率特性好是由于它只对磁通敏感, 而不是对磁通变化率敏感. 一般认为,采用感应式磁头, 硬盘的存贮密度极限为1T B/m2, 而 采 用 AMR 磁 头

3、的 存 贮 密 度 可 达4?65T B/ m2 2. 为了适应信息时代发展的需要, 人们对硬盘的存贮密度又提出新的要求, 巨磁电阻 GMR( giant magnetoresistance) 薄膜磁头正好适应了这种需要.1988 年, M?N?Baibich 首先在 Fe/ Cr 金属多层膜中发现了具有 50%的巨磁电阻 GMR 效应3, 立刻引起了各国科学家的注意, 人们纷纷从理论上和实验上对多层膜巨磁电阻效应加以研究. 1991 年, B. Dieny 独辟蹊径, 利用反铁磁层交换耦合, 有效地抑制了 Barkhausen 噪声, 并根据多层膜巨磁电阻效应来源于最简单重复周期的磁电阻效应

4、, 提出了铁磁层/ 隔离层/ 铁磁层/ 反铁磁层自旋阀( spin- valve) 结构, 并首先在( NiFe/ Cu/ NiFe/ FeMn) 自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应4. 广义地讲, 薄膜电阻与多层膜各层磁矩( 自旋) 之间相对取向有关的现象称为自旋阀磁电阻效应, 但 本文只讨论铁磁层/ 隔离层/ 铁磁层/ 反铁磁层?三明治?或它的变种自旋阀. 随后, 人们在纳米颗粒膜、 亚稳态合金膜、 氧化物膜及磁隧道结型多层膜等材料中发现了 GMR 效应 5. 目前, GMR的研究正向物理学的各领域渗透, 并将推动纳米材料科学的进一步发展.自旋阀具有如下优点: ( 1) 磁电阻变化率

5、?R/ R 对外磁场的响应呈线性关系, 频率特性好;( 2) 低饱和场, 工作磁场小; ( 3) 与 AMR 相比, 电阻随磁场变化迅速, 因而操作磁通小, 灵敏度高; ( 4) 利用层间转动磁化过程能有效地抑 制 Barkhausen 噪声, 信噪比高. 因此, 它率先进入实用化阶段. 1994 年, IBM 公司宣布成功研制出读出磁头为自旋阀结构的硬盘驱动器. 随 后, 世界各大公司纷纷公布各自 GMR 硬盘驱动器读出磁头的雏型. 从目前发展形势看, 自旋阀是新一代高密度读出磁头的首选方案. 本文将着重讨论自旋阀的原理、 结构、 类型和应用前 景.2? 自旋阀原理与结构图 1( a) 为典

6、型的自旋阀结构图. 自旋阀主要由铁磁层( 自由层) / 隔离层( 非磁性层) / 铁磁?373?27卷 ( 1998 年) 6 期层( 钉扎层) / 反铁磁层组成, 其中 AF 为反铁磁 层, F 为铁磁层, NM 为非磁性层. 自旋阀中出现巨磁电阻效应必须满足下列条件6:( 1) 传导电子在铁磁层中或在铁磁/ 非铁磁 (F/ NM) 界面上的散射几率必须是自旋相关的;( 2) 传导电子可以来回穿过两铁磁层并能记住自己身份( 自旋取向) , 即自旋自由程、 平均 自由程大于隔离层厚度.图1? 自旋阀的结构和原理示意图( a) 典型的自旋阀结构图; ( b) 自旋阀的磁滞回线;( c) 磁电阻随

7、磁场的变化曲线图 1( b) 为自旋阀的磁滞回线, 图 1( c) 为磁电阻随磁场的变化曲线. 未加磁场时, 由于在制备自旋阀时, 基片上外加一偏置磁场, 两磁性层 磁矩平行排列, 这时自旋阀电阻小. 在外加反向磁场的作用下, 自由层首先发生磁化反转, 两磁 性层磁矩反平行排列, 自旋阀电阻大. 自旋阀电阻大小取决于两铁磁层磁矩( 自旋) 的相对取向, 故称为自旋阀. 自由层反转磁场由其各向异 性场和通过非磁性层产生的耦合作用引起的矫顽场( Hc1) 和零漂移场( Hf) 决定. 这里零漂移场指由钉扎层和反铁磁层引起自由层磁滞回线的漂移. 当外磁场超过由反铁磁层交换耦合引 起的偏置场时, 钉扎

8、层发生磁化反转, 自旋阀电阻变小. B. Dieny 最早制成的自旋阀为 基片/Ta ( 5nm ) / NiFe ( 6. 2nm ) / Cu ( 2nm ) / NiFe( 4nm) / FeMn( 7nm) , 自由层的反转磁场为 6?37?102A/ m, 矫顽场小于 7?96? 101A/ m, 钉扎层的反转磁场约为 1?99? 104A/ m 4.为了满足应用要求, 需要研制低饱和场、 稳 定性好、 GMR 效应大的自旋阀. 目前自旋阀面临的最大问题是抗腐蚀和热稳定性问题. 要解决这些问题, 需要对各层材料提出一定的要求.希望反铁磁层具有高电阻、 耐腐蚀且热稳定性 好. 表 1

9、为典型的反铁磁性材料. ( 111) 取向的? -FeMn 是在自旋阀中用得最广泛的反铁磁性材料, 它具有稳定的反铁磁性耦合, 但易腐蚀, 且截止温度( 单轴各向异性消失时的温度) 较低. ( 111) 取向的 ? -FeMn 可以采用两种方法获得: 一种方法是在基片上溅射一缓冲层( Nb,Ta, Ti, Zr, Hf 等)7; 另一种方法是溅射时, 在表 1? 反铁磁层材料及性质材? 料交换耦合场( 104A/ m)截止温度( ? )电阻率( 10- 8?m)抗腐蚀性热处理Fe- Mn3?10150130不好不需要Ni- Mn7?96 450175好需要Ir- Mn2?15? 6?13150

10、? 280200好不需要Cr- Pt- M n2?39380350好不需要Pd- Pt- Mn3?82300不知道好需要NiO2. 63230 107好不需要NiCoO105不知道好不需要?- Fe2O30. 80320不知道好不需要TbCo可调节150不知道不好不需要?374?物理基片上加上负偏压 8. 实验表明, 基片加上负 偏压, 可以增强 FeMn 的( 111) 向的峰值, 增加自旋阀的交换各向异性场, 降低矫顽力和提高截止温度. NiMn 具有非常稳定的反铁磁性耦 合, 截止温度高, 且耐腐蚀, 不过为了使其具有反铁磁性, 需要进行退火处理. NiO 具有高电阻, 抗腐蚀性强, 有

11、适当的截止温度, 但在制备 过程中需要通氧气进行反应溅射, 制备工序复杂. TbCo 属亚铁磁性材料, 具有大的交换作用,并且可调, 但抗腐蚀性差. 从上面分析看出, 目 前仍未找到理想的反铁磁性材料, 需要进一步研究.自由层一般采用矫顽力较小且巨磁电阻效 应大的材料. 例如 Co, Fe, CoFe, NiFe, NiFeCo,CoFeB, CoMnB, CoNbZr 等. 钉扎层选择巨磁电阻效应大的材 料. 例如 Co, Fe, CoFe, NiFe, NiFeCo, CoFeB 等.在国内, 北京科技大学和中国科学院物理研究所成功地制备出一种实用的巨磁电阻自旋 阀多层膜9, 其室温磁电阻

12、比率 MR 2%, 自由层矫顽力 Hcl 160A/ m, 自由层零漂移磁场Hf 800A/ m, 钉扎交换场 Hex? 20? 103A/ m.3? 自旋阀类型自旋阀的类型如图 2 所示. 在图 2 中, Sub为基底, HM 为硬磁层, SM 为软磁层, 其他符号的意义同前. 目前研究最广泛的自旋阀结构是顶自旋阀 图 2( a) 和底自旋阀 图 2( b) . 通常首先在基片上溅射一层缓冲层, 按我们的需要来控制生 长过程, 并且在自旋阀上面覆盖一保护层, 以增强抗腐蚀能力. 为了降低饱和磁场和提高巨磁电阻效应, 两铁磁层选取不同的成分. 自由层选 取矫顽力小的软铁磁性材料, 而钉扎层选取

13、自旋相关散射大的材料, 如图 2( c) 所示. 为了减小坡莫合金与非磁性隔离层的扩散, 提高巨磁 电阻效应, 在其界面插入一 Co 薄层, 如图 2( d)所示. 然而, 它也引起矫顽力的增加, 一种办法是只在钉扎层与非磁性隔离层的界面上插入Co 薄层. 为了进一步提高磁电阻效应, 引入两 个钉扎层, 构成对称性自旋阀如图 2( e) 所示.适当调整各层厚度, 允许传导电子通过四个界面层, 从而可以增加巨磁电阻效应. 一种典型的 对称自旋阀为基片/ NiO( 50nm) / Co( 2?5nm) /Cu( 1?8nm ) /Co ( 4nm ) /Cu ( 1?8nm )/ Co( 2?5n

14、m ) / NiO ( 50nm ) ,其 磁 电 阻 达 到23?4% 10. 一种可能的解释是: 当电子在自旋 阀顶部和底部, 由于氧化层势垒较高, 发生镜像反射, 且各磁性层磁矩处在平行排列状态时, 电子的平均自由程被延长, 相当于调制多层膜结构.图 2? 自旋阀的种类(a) 顶自旋阀; ( b) 底自旋阀; ( c) 不同铁磁层的自旋阀;( d) 界面工程自旋阀; ( e) 对称性自旋阀; ( f) 不同矫顽力的自旋阀另一种自旋阀是用硬铁磁层( 如 PtCo) 代 替反铁磁层和钉扎层, 基本结构为基片/ 软磁层( SM) / 非磁隔离层( NM) / 硬磁层( HM)11, 如图 2(

15、 f) 所示. 它的优点是结构简单, 且可选择抗腐蚀和热稳定性好的硬磁材料, 克服了自旋 阀的不耐腐蚀和稳定性差的缺点. 它的缺点是硬磁层与自由层之间存在耦合, 自由层的矫顽力增大, 因而降低了自旋阀的灵敏度.?375?27卷 ( 1998 年) 6 期4? 自旋阀巨磁电阻的应用自旋阀巨磁电阻以其低饱和场、 高灵敏度 等优点率先进入实用化阶段. 在过去的几年内,已开发出一系列高灵敏度 GMR 磁电子器件.在高密度存贮方面, 已使计算机外存贮器的容量取得突破性的增长. 在计算机内存方面, 将引 起内存芯片的革命. 在自动化传感器方面, 将引发传感器的更新换代.4?1? GMR硬盘读出磁头硬盘密度

16、将以接近每年 60%的速率增长, 1994 年, IBM 公司首次在硬盘中使用了自旋阀GMR 读出磁头, 密度为 1?55TB/ m2. 1995 年,IBM 公司宣布硬盘密度达到 4?65TB/ m2. 1996 年, IBM 公 司 进 一 步 将 硬 盘 密 度 提 高 到7?75T B/ m2. 为了与其他存贮器竞争, 满足信息革命时代不断增长的传递和存贮信息的需要,就必须保持这样的增长. 目前, 美国国家存贮协 会( NSFC) 和日本信息存贮协会( SRC) 均组织了联合体, 协同作战. 估计到 2000 年, 硬盘密度将超过 15?5? 30?0TB/ m2. 而实现这一目标的 关键就在于巨磁电阻效应. 我们需要进一步研制出具有耐腐蚀、 稳定性好、 巨磁电阻效应大的GMR 材料.4?2? GMR磁随机存贮器 MRAM 运用 GMR 效应有可能发展一种磁性随机存贮器( MRAM) . 和 RAM 相比, 它具有非易失性、 抗辐射、 抗干扰、 功耗低、 使用寿命长、 成本 低等优点. 由于 GMR