Heusler合金磁性薄膜界面诱导垂直磁各向异性及其机理

高自旋极化率、垂直磁各向异性都有助于降低驱动磁化翻转的临界电流。本项目将以典型高自旋极化率Heusler合金为对象，采用磁控溅射薄膜制备技术，通过界面诱导效应实现MgO/Heusler合金/保护层薄膜的垂直磁各向异性。研究界面诱导效应的作用长度，得出Heusler磁性层由垂直磁各向异性转变为面内磁各向异性的临界厚度。分析薄膜垂直方向矫顽力的变化规律及其本征影响因素。讨论Heusler磁性层结构有序度与界面诱导作用的关系。分析保护层种类对Heusler磁性层磁各向异性的影响行为。使用高分辨透射电子显微镜、能量损失谱等精确表征Heusler磁性层及其与MgO层和保护层之间的界面结构、局域成份及缺陷状态。使用X射线磁圆二色谱、X射线光电子谱等表征界面磁性和键合。构建界面诱导获得垂直磁各向异性的唯象理论模型。研究成果将为制备高热稳定性、低临界磁翻转驱动电流的自旋电子器件奠定一定的基础。

降低驱动磁化翻转所需的临界电流(Ic0)是开发MRAM自旋电子器件核心问题之一。理论和实验已经证实高的自旋极化率和垂直磁各向异性(PMA)均有助于降低Ic0。因此实现高自旋极化率材料薄膜的PMA成为了研究热点及难点。本项目以高自旋极化率Co基Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5(CFAS)和Co2MnSi(CMS)为铁磁层，系统探讨了两种Heusler合金体系的PMA的起源及其物理机理，并拓展研究了具有最强PMA薄膜体系的反常霍尔效应。获得了以下重要成果：.1、在较高退火温度及较厚的铁磁薄膜CFAS(或CMS)体系中实现了良好的PMA。300 oC退火处理后，在Pd/CFAS (3.2 nm)/MgO和Pd/CMS (3.4 nm)/MgO薄膜中均获得最强PMA，有效垂直磁各向异性Keff值分别为1.23×106 erg/cm3和1.61×106 erg/cm3。.2、构建了退火温度、铁磁层厚度及PMA强度的伪三元关系图。观察到退火过程中，CFAS/MgO界面Co、Fe发生了还原反应；插入层Pd可有效抑制底层Ta对氧的俘获。上述行为均有助于CFAS/MgO界面处形成有效的Fe-O和Co-O轨道杂化，从而获得良好的PMA。.3、定量表征得到Pd/CMS界面各向异性Ks,Pd值为0.26 erg/cm2，CMS/MgO界面各向异性Ks,MgO值是0.79 erg/cm2，也即CMS/MgO界面对Pd/CMS/MgO薄膜整体PMA具有更大的贡献。.4、证实较低退火温度可以获得部分L21和B2有序结构，且CMS的有序度高于CFAS。由微观结构和元素价态的角度分析了Pd/CMS界面和CMS/MgO界面对薄膜PMA的影响作用；实验结果与理论计算结论相一致，也即Co2MnSi/MgO界面处Mn-O键合有利于薄膜实现PMA。.5、观察到Pd/CMS (tCMS)/MgO薄膜的反常霍尔效应更强。且Pd/CMS(tCMS)/MgO薄膜的矫顽力(Hc)随tCMS的增加而减小。300 oC退火态Pd/CMS (3.4 nm)/MgO薄膜的霍尔角和Rs值最大，分别约为0.15 °和0.065 μΩ cm/T。. 通过上述细致研究，成功实现了具有高自旋极化率，厚度大于3 nm的Heusler合金CFAS和CMS铁磁层薄膜的PMA，研究成果对开发高性能自旋电子器件具有重要意义。