一种调节含Gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法与流程

本发明涉及磁自旋电子学及记录技术材料领域，具体是一种调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法。

背景技术：

随着磁自旋电子学的快速发展，亚铁磁稀土-过渡合金薄膜材料在高密度、低能耗垂直磁随机存储器件及电流驱动畴壁运动等方面得到新的应用。与含tb(铽)或dy(镝)离子的亚铁磁(tb，dy)-过渡(fe，co)合金薄膜相比，对应的含s态gd(钆)离子的稀土-过渡合金薄膜垂直各向异性通常可小一个数量级以上。同时，非晶亚铁磁含gd稀土-过渡(fe，co)合金薄膜材料具有可忽略极小磁晶各向异性和高的磁弹耦合系数导致应力对其磁特性的影响十分明显。由于稀土元素易氧化，稀土-过渡合金需要保护层避免与空气直接接触。我们选用具有强自旋轨道耦合的非磁重金属材料作为保护顶层，通过简单改变重金属顶层厚度在一定厚度范围内产生合适的应力变化就可实现含gd稀土-过渡合金薄膜的矫顽力大幅度变化。

当前，饱和磁化强度小的亚铁磁垂直稀土-过渡合金薄膜和具有强自旋轨道耦合的非磁重金属形成的异质结也是自旋电子学研究领域的热点之一。结构中界面处具有强自旋轨道耦合重金属层通过自旋霍尔效应产生自旋极化电流注入到邻近磁层，可以促进薄膜磁矩的进动和反转，为实现可靠的自旋矩器件提供了更加简单的结构。当前的研究工作都是基于非磁重金属/铁磁薄膜结构或者非磁重金属作为双层结构中的缓冲底层使用，其上再生长亚铁磁薄膜(如z.zhao等,appl.phys.lett.,106(13),132404(2015)和w.s.ham等，appl.phys.lett.110,242405(2017))，这种结构的使用效果并不理想。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法，具体步骤如下：

步骤一，将高纯度gd贴片与镶嵌靶组成复合靶，再将复合靶放入真空溅射室的靶位，将基片固定在真空溅射室的基片台上，向真空溅射室通入工作气体；

步骤二，在基片上溅射缓冲底层；

步骤三，在缓冲底层上溅射生长垂直含gd的稀土-过渡合金薄膜；

步骤四，在含gd的稀土-过渡合金薄膜上溅射保护顶层，即得到成品。

作为本发明实施例进一步的方案：基片固定在基片台前进行清洗和烘干处理。

作为本发明实施例进一步的方案：工作气体为高纯度氩气，真空溅射室的真空度为1×10^-5pa以下，保证工作环境。

作为本发明实施例进一步的方案：镶嵌靶采用铁、钴或者铁钴合金中的任意一种材料制作。

作为本发明实施例进一步的方案：缓冲底层采用金属缓冲底层，保护顶层采用金属保护顶层。

作为本发明实施例进一步的方案：缓冲底层和保护顶层均为钽层、钯层或者铂层中的任意一种。

作为本发明实施例进一步的方案：缓冲底层和保护顶层的厚度均为3-20nm。

作为本发明实施例进一步的方案：含gd的稀土-过渡合金薄膜为gd-(fe,co)或者gdfe(铁)co(钴)材料，gd元素(原子比)成分介于23.5-26％，薄膜易轴方向为垂直膜面。

作为本发明实施例进一步的方案：含gd的稀土-过渡合金薄膜的厚度为10-25nm。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本发明制备方法简单，重复性好、成本低廉；

本发明利用具有强自旋轨道耦合重金属作为保护顶层对底层合金产生的应力作用，在一定厚度范围内可以实现合金薄膜矫顽力高达200％以上的变化；同时，结构中界面处金属层通过自旋霍尔效应产生自旋极化电流可注入到相邻合金层，促使合金薄膜磁矩的进动和反转，为实现可靠自旋矩器件提供了简单的结构，可应用于磁电、磁传感器件以及超快记录领域中。

附图说明

图1为调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法得到的结构为si/ta(5nm)/gdfeco(20nm)/ta(t＝3～20nm)材料的反常磁电霍尔效应磁滞回线图。反常磁电霍尔效应是磁性薄膜特别是超薄薄膜磁滞回线测量的有力手段之一。反常霍尔效应来源于霍尔效应中与材料本征磁性有关的部分，其反常霍尔电压与样品的磁化强度成正比，只需测量出样品的反常霍尔电压和磁场的曲线，即可得到样品的磁滞回线。

图2为调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法得到的结构为si/ta(5nm)/gdfeco(22nm)/ta(t＝3～16nm)材料的反常磁电霍尔效应磁滞回线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法，具体步骤如下：

步骤一，将高纯度gd贴片与铁靶组成复合靶，再将复合靶放入真空溅射室的靶位，将基片固定在真空溅射室的基片台上，向真空溅射室通入高纯度氩气，真空溅射室的真空度为5.2×10^-6pa；

步骤二，在基片上溅射缓冲底层，缓冲底层采用钽层，缓冲底层的厚度为10nm；

步骤三，在缓冲底层上溅射生长垂直含gd的稀土-过渡合金薄膜，含gd的稀土-过渡合金薄膜为gd-(fe,co)材料；

步骤四，在含gd的稀土-过渡合金薄膜上溅射保护顶层，保护顶层采用钯层，保护顶层的厚度为15nm，即得到成品。

实施例2

一种调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法，具体步骤如下：

步骤一，将高纯度gd贴片与铁钴合金靶组成复合靶，再将复合靶放入真空溅射室的靶位，将基片固定在真空溅射室的基片台上，基片固定在基片台前进行清洗和烘干处理，向真空溅射室通入工作气体，真空溅射室的真空度为3.6×10^-6pa以下，保证工作环境；

步骤二，在基片上溅射缓冲底层；

步骤三，在缓冲底层上溅射生长垂直含gd的稀土-过渡合金薄膜，含gd的稀土-过渡合金薄膜gdfeco材料，gd元素(原子比)成分介于23.5-26％，薄膜易轴方向为垂直膜面，含gd的稀土-过渡合金薄膜的厚度为24nm；

步骤四，在含gd的稀土-过渡合金薄膜上溅射保护顶层，即得到成品。

实施例3

一种调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法，具体步骤如下：

步骤一，将高纯度gd贴片与镶嵌靶组成复合靶，再将复合靶放入真空溅射室的靶位，将基片固定在真空溅射室的基片台上，基片固定在基片台前进行清洗和烘干处理，向真空溅射室通入工作气体；

步骤二，在基片上溅射缓冲底层；

步骤三，在缓冲底层上溅射生长垂直含gd的稀土-过渡合金薄膜；

步骤四，在含gd的稀土-过渡合金薄膜上溅射保护顶层，即得到成品。

实施例3制备的成品为si/ta(5nm)/gdfeco(20nm)/ta(t＝3～20nm)材料，对该材料进行磁化测试，结果见图1。

从图1中可以看出，保护顶层ta的厚度t从3nm变化到20nm。溅射gdfeco前，先在si基片上预溅射5nm的ta作为缓冲底层。溅射制备gdfeco薄膜的厚度为20nm，gd元素的原子比成分为24％，磁特性表现为富过渡。当顶层ta为3nm时样品矫顽力最小为22.8oe，顶层ta为16nm时样品矫顽力最大为74.5oe，矫顽力增大了226.7％。

实施例4

一种调节含gd离子的稀土-过渡合金薄膜矫顽力的方法，具体步骤如下：

步骤一，将高纯度gd贴片与镶嵌靶组成复合靶，再将复合靶放入真空溅射室的靶位，将基片固定在真空溅射室的基片台上，向真空溅射室通入工作气体，工作气体为高纯度氩气，真空溅射室的真空度为3.2×10^-6pa，保证工作环境；

步骤二，在基片上溅射缓冲底层；

步骤三，在缓冲底层上溅射生长垂直含gd的稀土-过渡合金薄膜；

步骤四，在含gd的稀土-过渡合金薄膜上溅射保护顶层，即得到成品。

实施例4制备的成品为si/ta(5nm)/gdfeco(22nm)/ta(t＝3～16nm)材料，对该材料进行磁化测试，结果见图2。

从图2中可以看出，保护顶层ta的厚度t从3nm变化到16nm。溅射gdfeco前，先在si基片上预溅射5nm的ta作为缓冲底层。溅射制备gdfeco薄膜的厚度为22nm，gd元素的原子比成分为24.5％，磁特性表现为富过渡。当顶层ta为3nm时样品矫顽力最小为54.2oe，顶层ta为12nm时样品矫顽力最大为197.8oe，矫顽力增大了264.9％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。