一种改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构及其制备方法

本发明属于涉及自旋电子与柔性集成，具体涉及一种改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构及其制备方法。

背景技术：

1、柔性电子元器件因其独特的可调谐性、兼容性及质量轻等特点，广泛应用于柔性显示、柔性传感器及智能可穿戴设备。实现磁性薄膜器件的柔性化，前提是掌握柔性磁性薄膜的制备技术。与在刚性衬底上制备磁性薄膜不同，在柔性衬底上生长磁性薄膜不仅需要考虑两者之间的界面状态，还需要充分认识薄膜所受的应力状态，主要因为柔性衬底带来的应力/应变会引起磁性薄膜磁各向异性、微观磁畴、磁有序态、电输运等发生变化，进而影响器件性能。在应用上，为了获得性能稳定的柔性磁存储器和磁传感器，需要避免器件受到应力/应变影响，通过优化器件制备工艺和改进器件结构设计可以使器件在形变过程中保持性能稳定。另一方面，利用磁传感器件对应力的敏感特性，可以为探测应力提供一种全新的方案，也在很大程度上拓展了柔性磁性薄膜的应用范围。可见，研究应力/应变对柔性磁性薄膜磁性和电输运性质的影响规律和内在机制至关重要。

2、人工反铁磁薄膜具有杂散磁场小、对外磁场扰动不敏感等优点，在磁电子器件领域具有重要地位。人工反铁磁被广泛用作自旋阀结构或磁性隧道结中的钉扎层。近年来，随着在人工反铁磁结构中发现自旋轨道矩引起的磁化翻转、快速的畴壁移动、人工自旋冰等新奇物理现象，使得人工反铁磁结构可以成为新型非易失存储与自旋逻辑器件的载体。

3、人工反铁磁在自旋电子领域具有重要地位，制备柔性人工反铁磁并研究应力/应变对其磁性的影响，最终获得在应力/应变下具有稳定磁各向异性的柔性薄膜，将对柔性磁电子器件的发展具有非常重要的科学意义和应用价值。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中阐述的改善柔性人工反铁磁薄膜应力/应变的技术问题，本发明提供了通过在自主制备的柔性聚酰亚胺（pi）薄膜上制备人工反铁磁薄膜结构，pi薄膜与人工反铁磁薄膜之间采用楔形缓冲层，该结构可以改善柔性人工反铁磁薄膜所受的应力。本发明的具体技术方案如下：

2、一种改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，柔性人工反铁磁的结构由下向上分别为：聚酰亚胺柔性基底、缓冲层、种子层、下磁性层、非磁性层、上磁性层和保护层。

3、进一步地，所述聚酰亚胺柔性基底的厚度为10～15μm。

4、进一步地，所述缓冲层采用斜靶溅射，形成楔形缓冲层；缓冲层为ta，ta厚度为5～10nm。

5、进一步地，所述种子层为pt，pt厚度为3～10nm。

6、进一步地，所述下磁性层和上磁性层为[pt/co]层，其中pt厚度为2～4nm，co厚度为0.6～1nm。

7、进一步地，所述非磁性层为ir，ir厚度为0.6～1.0nm。

8、进一步地，所述保护层为pt，pt厚度为3～5nm。

9、一种改善柔性人工反铁磁薄膜应力的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

10、1）清洗、烘干二氧化硅基片；

11、2）聚酰亚胺溶液滴于二氧化硅基片中心位置，在基片表面形成均匀的聚酰亚胺薄膜；

12、3）采用阶梯式加热工艺对旋涂后的聚酰亚胺薄膜进行固化；

13、4）固化完成后，自然冷却聚酰亚胺薄膜至室温，最终在二氧化硅基片上形成聚酰亚胺柔性基底；

14、5）直流磁控溅射，溅射气压0.2pa，溅射功率10w，斜靶溅射，在聚酰亚胺柔性基底上形成楔形缓冲层，钽层厚度为5-10nm；

15、6）直流磁控溅射，溅射气压0.3pa，溅射功率20w，在楔形缓冲层上溅射生长种子层，形成厚度为3-10nm的铂层；

16、7）直流磁控溅射，在种子层上溅射下磁性层[pt/co]2，周期为2，pt溅射气压0.3pa，溅射功率20w，pt厚度为2-4nm；co溅射气压0.3pa，溅射功率10w，co厚度为0.6-1nm；

17、8）直流磁控溅射，溅射气压0.3pa，溅射功率10w，在下磁性层[pt/co]2上溅射生长非磁性层，厚度为0.6-1.0nm的铱层；

18、9）直流磁控溅射，在非磁性层上溅射上磁性层[pt/co]4，周期为4，pt溅射气压0.3pa，溅射功率20w，pt厚度为2-4nm；co溅射气压0.3pa，溅射功率10w，co厚度为0.6-1nm；

19、10）直流磁控溅射，溅射气压0.3pa，溅射功率20w，在上磁性层[pt/co]4上溅射生长保护层，形成厚度为3-5nm的铂层；

20、11）从二氧化硅基片上剥离聚酰亚胺柔性基底，获得柔性人工反铁磁薄膜。

21、本发明的有益效果在于：

22、1.聚酰亚胺柔性基底的厚度在10～15μm范围内，为柔性磁结构的应用提供了良好的弯曲特性。

23、2.柔性聚酰亚胺基底与磁性结构之间采用楔形缓冲层，使得磁性薄膜在弯曲应变下始终靠近薄膜的中心层，这将减小弯曲带来的应力作用，提高了柔性薄膜的稳定性。

24、3.楔形缓冲层通过斜靶溅射完成。本发明所采用改善薄膜应力的方法，能够完全兼容器件的coms加工工艺，可实现柔性器件微型化和批量化生产，显著降低了可穿戴设备中柔性电子器件制备工艺的复杂性。

技术特征：

1.一种改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，其特征在于，柔性人工反铁磁的结构由下向上分别为：聚酰亚胺柔性基底、楔形缓冲层、种子层、下磁性层、非磁性层、上磁性层和保护层。

2.根据权利要求1所述的改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，其特征在于，所述聚酰亚胺柔性基底的厚度为10～15μm。

3.根据权利要求1所述的改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，其特征在于，所述缓冲层采用斜靶溅射，形成楔形缓冲层；缓冲层为ta，ta厚度为5～10nm。

4.根据权利要求1所述的改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，其特征在于，所述种子层为pt，pt厚度为3～10nm。

5.根据权利要求1所述的改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，其特征在于，所述下磁性层和上磁性层为[pt/co]层，其中pt厚度为2～4nm，co厚度为0.6～1nm。

6.根据权利要求1所述的改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，其特征在于，所述非磁性层为ir，ir厚度为0.6～1.0nm。

7.根据权利要求1所述的改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构，其特征在于，所述保护层为pt，pt厚度为3～5nm。

8.一种改善柔性人工反铁磁薄膜应力的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种改善柔性人工反铁磁薄膜应力的结构及其制备方法，涉及自旋电子与柔性集成技术领域。柔性人工反铁磁的结构由下向上分别为：聚酰亚胺柔性基底、楔形缓冲层、种子层、下磁性层、非磁性层、上磁性层和保护层。聚酰亚胺柔性基底的厚度为10～15μm。缓冲层采用斜靶溅射，形成楔形缓冲层；缓冲层为Ta，Ta厚度为5～10nm。种子层为Pt，Pt厚度为3～10nm。下磁性层和上磁性层为[Pt/Co]层，其中Pt厚度为2～4nm，Co厚度为0.6～1nm。非磁性层为Ir，Ir厚度为0.6～1.0nm。保护层为Pt，Pt厚度为3～5nm。

技术研发人员：何开宙,王向谦,谢明玲,员朝鑫,强进,高晓平
受保护的技术使用者：甘肃省科学院传感技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17