专利名称：一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于自旋阀、磁性隧道结、传感器等的磁性材料及其制备方法，特别是指一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料及其制备方法。
背景技术：
在制备铁磁/反铁磁多层膜材料方面，由现有技术表明具有面心立方结构的Mn合金，经过退火转变为原子有序的面心四方结构的反铁磁X-Mn(其中X为另外一种元素，Ni、Pt和Pd等)所组成的铁磁/反铁磁多层膜钉扎材料，一般都具有比较大的钉扎场，以及良好的抗腐蚀能力和热稳定性，故在传感器等方面获得广泛的应用。图1为公知的铁磁/Mn系反铁磁多层膜钉扎材料的结构，其各层依次为基片1、缓冲层2、铁磁层70、反铁磁层4、及保护层8。但是，由于公知的该铁磁/反铁磁多层膜钉扎材料，在制备过程中，所需的退火时间都很长(几十小时)，或其退火温度很高(300℃以上)，因此退火过程中反铁磁层4中的Mn发生扩散迁移，进入相邻的铁磁层70，从而造成铁磁层70磁矩的损失，矫顽力的增大和磁滞回线矩形度变差，而且该材料中的反铁磁层4一般比较厚(250以上)，该材料的反铁磁层4对铁磁层70的钉扎场不太理想，钉扎场一般为200奥斯特左右。由上述可见，防止退火过程中Mn向铁磁层扩散和减薄反铁磁层是获得高性能的铁磁/反铁磁多层膜钉扎材料的关键所在，也是待解决的难题。
需指出的是，由于这种多层膜钉扎材料在制备过程中的退火工艺后，结构会发生些许变化，故在本技术领域内，通常以退火前的多层膜结构来进行定性的讨论和比较。因此，凡后文中提及的多层膜结构及各层相应的厚度，除特别指出外，均以退火前的状态为准。
文献(T.Lin，C.Tsang，R.E.Fontana and J.K.Howard，IEEETrans.Magn.，31(1995)，2585.)揭露了300的反铁磁层Ni-Mn钉扎150的铁磁层Ni-Fe的钉扎场和矫顽力随退火时间和退火温度的变化，即要产生比较好的钉扎效果，要么退火温度比较高(比如320℃，5小时)，要么退火时间比较长(比如280℃，20小时)文献(M.Lederman，IEEE Trans.Magn.，35(1999)，794)揭露了钉扎场及矫顽力和Ni-Mn厚度的关系，此文献指出Ni-Mn厚度必需大于300；后来，也有材料研究者制备了250的Ni-Mn反铁磁层，所以我们认为文献上提到的Ni-Mn的厚度基本上都大于200。
另外，由于Ni-Mn不能直接钉扎Co-Fe，故以前有人曾试图以Ni-Mn合金为反铁磁层实现对Co-Fe的钉扎，但未获得较好的效果。
因此，如何在更低的退火温度和更短的退火时间下，获得以Mn系合金作为反铁磁层钉扎Co-Fe铁磁层的多层膜钉扎材料，并具有更薄的反铁磁层、更大的钉扎场，是制备钉扎材料领域的重要课题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，该材料实现了Ni-Mn对Co-Fe层的良好钉扎，而且该钉扎材料反铁磁层明显减薄，具有更大的钉扎场，。
本发明的另一目的在于提供一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法，该方法可防止退火过程中Mn向铁磁层扩散，且达到了在退火温度较低的同时，退火时间较短的目的。
本发明的目的可通过如下措施来实现一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一第二铁磁层及设在其上的一保护层，其特征在于，还包括一引导层，设于缓冲层上，该引导层具有(111)织构，用以诱导有利于钉扎第二铁磁层的反铁磁层的(111)织构的形成；一反铁磁层，设于引导层上，该反铁磁层具有(111)织构；一第一铁磁层，设于反铁磁层上；及一纳米氧化层，设于第一铁磁层和第二铁磁层之间，用以防止反铁磁层中的Mn向第二铁磁层中扩散。
所述的基片的材料选自硅或玻璃的一种。
所述的缓冲层的材料选自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。
所述的引导层的材料选自Ni或NiXFe100-X，其中77＜X＜83。
所述的反铁磁层的组成元素为Mn和X，所述的元素X选自Ni、Pt、Pd中的至少一种。
在退火前，该反铁磁层中的元素Mn所占原子百分含量为55％至70％，用以减短退火时间和/或降低退火温度，并可减薄该层的厚度；退火后元素Mn的原子百分含量为50％。
该反铁磁层厚度为100至200。
所述的第一铁磁层的材料选自Ni、NiXFe100-X、CoYFe100-Y中的一种，其中77＜X＜83，87＜Y＜93。
所述的纳米氧化层由该第一铁磁层氧化而成，厚度为10至20。
所述的第二铁磁层的材料为CoYFe100-Y，其中87＜Y＜93。
本发明的另一目的还可通过如下措施来实现本发明提供的一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法，包含以下步骤(1)采用真空沉积法，在基片上依次镀上缓冲层、引导层、反铁磁层、第一铁磁层，且使反铁磁层中的Mn的原子百分含量大于50％；(2)含氧气氛下，使第一铁磁层的上表面氧化形成相应的纳米氧化层；(3)采用真空沉积法，在纳米氧化层上继续依次镀上第二铁磁层和保护层，形成该钉扎材料的半成品；及(4)将该钉扎材料的半成品，在一平行于样品易轴方向的普通磁场强度的外加磁场下进行真空退火，退火后即获得成品。
采用所述的真空沉积法镀层时，本底真空度高于10-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.2-0.8Pa。
采用所述的真空沉积法镀该反铁磁层时，需使反铁磁层XMn中元素Mn的原子百分含量为55％至70％，用以减短退火时间或降低退火温度。
在制备所述纳米氧化层时采用工业纯氧的气氛，且压力为0.2-0.8Pa，或采用置于空气中的自然氧化，或采用压力为10-3-10-2Pa的氧等离子体的氧化方式。
所述步骤(4)中的退火工艺的退火温度为260-280℃、退火时间为1-5小时、本底真空度高于10-2Pa。
本发明相比现有技术具有如下优点1、本发明提供的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，通过控制反铁磁层中的Mn的原子百分含量及采用第一铁磁层、纳米氧化层和引导层，从而使反铁磁层厚度明显减薄，其钉扎场更大，矫顽力更小，磁滞回线矩形度更好，如图3所示；该第二铁磁层中几乎无Mn的扩散；并且还实现了Ni-Mn对Co-Fe的钉扎；2、本发明提供的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料制备方法，通过控制反铁磁层中的Mn的原子百分含量及沉积第一铁磁层、纳米氧化层和引导层，从而可防止退火过程中Mn向铁磁层扩散，既达到退火温度较低又达到退火时间较短。该制备方法工艺简单、重复稳定性好，非常适合实际操作。
图1为公知的铁磁/Mn系反铁磁多层膜钉扎材料的结构；图2为本发明的铁磁/Mn系反铁磁多层膜钉扎材料的结构；及图3为本发明实施例一的样品的磁滞回线。
图面说明1-基片；2-缓冲层；3-引导层；4-反铁磁层；5-第一铁磁层；6-纳米氧化层；7-第二铁磁层；8-保护层；70-铁磁层。
具体实施例方式
请参阅图2，为本发明的铁磁/Mn系反铁磁多层膜钉扎材料的结构。该材料的结构自基片1至另一端的保护层8，其间各层依次为缓冲层2、引导层3、反铁磁层4、第一铁磁层5、纳米氧化层6、第二铁磁层7。
实施例一请参阅图2。在此实施例中的铁磁/Mn系反铁磁多层膜钉扎材料的结构是自基片Si1至另一端的保护层Ta8(厚度为30)，其间各层依次为缓冲层Ta2(厚度为30)、引导层Ni3(20)、反铁磁层Ni-Mn4(厚度为150)、第一铁磁层Ni5(厚度为30)及其纳米氧化层6、以及第二铁磁层Co90Fe107(厚度为60)。退火前，反铁磁层Ni-Mn4中元素Mn所占原子百分含量为70％，退火后约为50％。图3为本发明实施例一的成品(经温度280℃，仅仅5小时退火)用振动样品磁强计测量出的磁滞回线，其矫顽力约为60奥斯特，该矫顽力与退火前的材料的矫顽力相同，其钉扎场为310奥斯特，回线矩形度很好。
实施例二请参阅图2。在此实施例中的铁磁/Mn系反铁磁多层膜钉扎材料的结构是自基片Si1至另一端的保护层Ta8(厚度为30)，其间各层依次为缓冲层Ta2(厚度为30)、引导层Ni80Fe203(厚度为30)、反铁磁层Pt-Mn4(厚度为100)、第一铁磁层Co90Fe105(厚度为15)及其纳米氧化层6、以及第二铁磁层Co90Fe107(厚度为100)。上述反铁磁层Pt-Mn退火前元素Mn所占原子百分含量为55％，退火后约为50％。
实施例三请参阅图2。在此实施例中的铁磁/Mn系反铁磁多层膜钉扎材料的结构是自基片玻璃1至另一端的保护层Ta8(厚度为30)，其间各层依次为缓冲层(Ni80Fe20)60Cr402(厚度为30)、引导层Ni80Fe203(厚度为30)、反铁磁层Pd-Mn4(厚度为200)、第一铁磁层Ni80Fe205(厚度为520)及其纳米氧化层6、以及第二铁磁层Co90Fe107(厚度为100)。上述反铁磁层Pd-Mn退火前元素Mn所占原子百分含量为60％，退火后约为50％。
下面以实施例一为例子，说明本发明的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法。制备Co-Fe铁磁/Ni-Mn反铁磁多层膜钉扎材料的步骤如下首先采用真空沉积方法，如磁控溅射方法，本底真空度高于10-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.5Pa，在Si基片1上依次镀上缓冲层Ta2(厚度为30)、引导层Ni3(厚度为20)、反铁磁层Ni-Mn4(厚度为150)、第一铁磁层Ni5(厚度为30)、第二铁磁层Co90Fe107(厚度为60)、保护层Ta8(厚度为30)；其中在镀二元合金Ni-Mn反铁磁层4过程中，使元素Mn在该层中的原子百分含量为70％；在镀完厚为30的第一铁磁层Ni后，用自然氧化或等离子体氧化方式或0.5Pa的工业纯氧对样品表面氧化10分钟，从而在第一铁磁层Ni和第二铁磁层Co90Fe10的界面上形成一层纳米氧化层6(NOL)，厚度约为10-20。然后，将样品置于有方向平行于样品易轴的的外加磁场下，磁场强度为约为102奥斯特，且本底真空度高于10-2Pa，经过温度为280℃，5小时退火。由于纳米氧化层6(NOL)的存在，在退火时挡住了Mn向第二铁磁层7的扩散，当Mn在下面三层间(Ni/Ni-Mn/Ni)扩散移动时，可以形成比较均匀的等原子比例的有序相的Ni-Mn的反铁磁层4，从而实现对第二铁磁层Co90Fe107的钉扎。由于系统中的反铁磁层Ni-Mn4退火前Mn原子百分含量较高为70％，退火时Mn原子容易移动，从而退火时间可以比较短，NOL挡住了Mn朝第二铁磁层7的扩散，使得下面三层中形成了均匀的Ni-Mn有序相，纳米氧化层6(NOL)可能还有磁性，它处在反铁磁层Ni-Mn4和第二铁磁层Co90Fe107的界面，从而实现了反铁磁层Ni-Mn4对第二铁磁层Co90Fe107的钉扎，而且经磁强计测量证明，该材料磁滞回线如图3所示，其矫顽力约为60奥斯特，该矫顽力和退火前的材料的矫顽力相同，钉扎场为310奥斯特，回线矩形度很好。
权利要求
1.一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一第二铁磁层及设在其上的一保护层，其特征在于，还包括一引导层，设于缓冲层上，该引导层具有(111)织构；一反铁磁层，设于引导层上，该反铁磁层具有(111)织构；一第一铁磁层，设于反铁磁层上；及一纳米氧化层，设于第一铁磁层和第二铁磁层之间。
2.如权利要求1所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，所述的基片的材料选自硅或玻璃的一种。
3.如权利要求1所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，所述的缓冲层的材料选自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。
4.如权利要求1所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，所述的引导层的材料选自Ni或NiXFe100-X，其中77＜X＜83。
5.如权利要求1所述的铁磁磁/系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，所述的反铁磁层的组成元素为Mn和X，所述的元素X选自Ni、Pt、Pd中的至少一种。
6.如权利要求5所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，在退火前，该反铁磁层中的元素Mn所占原子百分含量为55％至70％；退火后元素Mn的原子百分含量为50％。
7.如权利要求1所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，该反铁磁层厚度为100至200。
8.如权利要求1所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，所述的第一铁磁层的材料选自Ni、NiXFe100-X、CoYFe100-Y中的一种，其中77＜X＜83，87＜Y＜93。
9.如权利要求1所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，所述的纳米氧化层由该第一铁磁层氧化而成，厚度为10至20。
10.如权利要求1所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料，其特征在于，所述的第二铁磁层的材料为CoYFe100-Y，其中87＜Y＜93。
11.一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法，包含以下步骤(1)采用真空沉积法，在基片上依次镀上缓冲层、引导层、反铁磁层、第一铁磁层，且使反铁磁层中的Mn的原子百分含量大于50％；(2)含氧气氛下，使第一铁磁层的上表面氧化形成相应的纳米氧化层；(3)采用真空沉积法，在纳米氧化层上继续依次镀上第二铁磁层和保护层，形成该钉扎材料的半成品；及(4)将该钉扎材料的半成品，在一平行于样品易轴方向的普通磁场强度的外加磁场下进行真空退火，退火后即获得成品。
12.如权利要求11所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法，其特征在于，采用所述的真空沉积法镀层时，本底真空度高于10-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.2-0.8Pa。
13.如权利要求11所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法，其特征在于，采用所述的真空沉积法镀该反铁磁层时，需使反铁磁层X-Mn中元素Mn的原子百分含量为55％至70％。
14.如权利要求11所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法，其特征在于，在制备所述纳米氧化层时采用工业纯氧的气氛，且压力为0.2-0.8Pa，或采用置于空气中的自然氧化，或采用压力为10-3-10-2Pa的氧等离子体的氧化方式。
15.如权利要求11所述的铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的退火工艺的退火温度为260-280℃、退火时间为1-5小时、本底真空度高于10-2Pa。
全文摘要
本发明涉及一种铁磁/锰系反铁磁多层膜钉扎材料及其制备方法，该钉扎材料包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一第二铁磁层及设在其上的一保护层，其中还包括一设于缓冲层上的引导层、一设于引导层上的反铁磁层、一设于反铁磁层上的第一铁磁层、及一纳米氧化层，设于第一铁磁层和第二铁磁层之间；其制备方法是在基片上依次沉积各层并退火得到该钉扎材料；由本发明方法制备的钉扎材料的反铁磁层厚度明显减薄，钉扎场更大，矫顽力更小，磁滞回线矩形度更好，在铁磁层中几乎没有Mn的扩散，而且还实现了Ni－Mn合金对Co－Fe合金的钉扎；制备工艺简单、材料性能稳定。
文档编号H01L43/00GK1510701SQ0215797
公开日2004年7月7日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年12月20日
发明者代波, 蔡建旺, 赖武彦, 代 波 申请人:中国科学院物理研究所