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)近年來開始成為國內(nèi)外相關(guān)研究小組的研究熱點之一,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大工具。但目前,反?；魻栃?yīng)還沒有建立完整的理論體系來對有關(guān)實驗結(jié)果做出合理的、定量的解釋。爭論的焦點是該效應(yīng)是內(nèi)稟機制還是外在機制,以及如何處理雜質(zhì)、缺陷和聲子等散射問題。近年來又有人提出了基于電導區(qū)間的反常霍爾標度關(guān)系,但該標度關(guān)系在無序化材料中往往會受到量子效應(yīng),如弱局域化影響,而使得關(guān)系不再成立。本文以

2、CoFeB材料為研究對象,通過反常霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn),當CoFeB厚度分別在1.04nm和1.2nm時,Ta/CoFeB/MgO及MgO/CoFeB/Ta薄膜具有強的垂直各向異性。同時發(fā)現(xiàn)CoFeB/Pt多層膜在適當?shù)暮穸纫嗑哂忻黠@的垂直各向異性。通過深入研究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特性詳細討論了其垂直各向異性及其反?；魻栃?yīng)

3、物理機理。
　　首先,通過磁控濺射制備了[CoFeB/Pt]N垂直磁化膜,當CoFeB的厚度在0.35nm~0.65nm之間時,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N≥5時,霍爾回線呈現(xiàn)蜂腰型,這時[CoFeB/Pt]N多層膜在零場時出現(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CoFeB厚度分別在1.04nm和1.2nm時,經(jīng)過300℃左右的退火,上述兩種系列薄膜均具有強的垂直各向異性。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,通過實驗發(fā)現(xiàn)垂直磁化的CoFeB/Pt多層膜的反?；魻栃?yīng)滿足標度關(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多層膜的是由強的斜散射機制與弱的邊界跳躍機制共同構(gòu)成。同時,隨著CoFeB-Pt雙層周期的增加,斜散射機制得到增強。通過XRR分析了其粗糙度,認為粗糙度的增加是導致斜散射機制增強的原因。另外,根據(jù)樣品的電導分布區(qū)間和現(xiàn)有的結(jié)果,通過計算發(fā)現(xiàn),Ta/CoFeB/MgO系列垂直磁化膜的反常霍爾效應(yīng)中的邊界跳躍機制大約為斜散射機制的三倍,也就是說邊界跳躍機制是Ta/CoFeB/MgO薄膜中的反?；魻栃?yīng)的主導機制。結(jié)合目前已知的內(nèi)稟

6、機制和斜散射機制與飽和磁化強度的線性關(guān)系,可以推斷出邊界跳躍機制引起的反?；魻栯妼c飽和磁化強度也具有正比關(guān)系。同時還發(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體系的反常霍爾效應(yīng),本文對單層非晶態(tài)CoFeB薄膜做了研究。對于無序的(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?；陔娮泳钟蚧姆菑椥陨⑸錂C理,發(fā)現(xiàn)在該厚度范圍內(nèi),弱局域化從2D過渡至3D,同時發(fā)現(xiàn)弱無序度((kFl)-11)的非晶態(tài)CoFeB薄膜的非彈性散射長度為13nm。實驗也證實了弱局域化對反常霍爾電導的貢獻與薄膜的無序度有關(guān)。在強無序度情況下,弱局域化對反?；魻栯妼ж暙I不為零。當無序度減小時,弱局域化對反常霍爾電導的貢獻逐步減小。