具有MgO组元的弱磁敏感方位敏感材料的研究

本项目是针对我国重大专项利用地磁场自主导航的迫切需求开发高性能弱磁敏感方位敏感材料，解决的主要科学性问题是（1）如何设计一种材料同时兼备隧道磁电阻（TMR）材料对弱磁敏感和各向异性磁电阻（AMR）材料对方位敏感的优势？（2）如何解决新设计材料的磁稳定性问题？拟通过设计具有MgO组元的类似"缓冲层/MgO等隔离层/NiFe/MgO/保护层"等结构的材料解决弱磁敏感方位敏感问题；拟通过利用静磁耦合的方法提高材料的磁稳定性问题；最终设计并制备出新型的性能良好的弱磁敏感方位敏感材料，包括该材料及其制作成的元器件具有良好的磁稳定性。

通过设计具有MgO组元的类似"缓冲层/MgO等隔离层/NiFe/MgO/保护层"等结构的材料解决了磁电阻薄膜材料的弱磁敏感方位敏感问题；同时利用静磁耦合的方法提高材料的磁稳定性；设计并制备出新型的性能良好的弱磁敏感方位敏感材料，该材料及其制作成的元器件具有良好的磁稳定性。正电子湮没研究快速退火的MgO/NiFe/MgO以及退火后CoFeB/MgO/CoFeB的微结构，发现MgO层的微结构和缺陷对于薄膜的性能具有非常重要的影响，退火后MgO层点缺陷的消除和质量的改善可以显著改善薄膜的性能。通过构筑Ta/MgO/NiFe/Ta和Ta/NiFe/MgO/Ta两种不同结构样品，研究这两种样品中的自旋电子的输运特性，发现与MgO/NiFe界面和NiFe/MgO界面微小的化学元素状态变化有关，而界面状态变化又取决于多层膜结构中MgO的位置和厚度。界面状态通过影响电子的散射来决定电子的输运行为，从而影响磁电阻值。我们也研究了NiFe/AlOx界面化学状态对于自旋极化电子输运行为的影响，发现在AlOx/NiFe/AlOx的异质结构中，AlOx层的化学状态对自旋极化电子的输运行为具有重要影响。当AlOx层含有部分Al单质时可作为应力缓冲层，减小界面应力，对于电子输运更有利。相反地，高温退火后AlOx层有更接近于化学计量比的本征AlOx形成，由于和NiFe热膨胀系数的差异较大，导致界面状况恶化反而不利于自旋电子的输运。我们还通过在MgO/Co和Co/MgO界面处引入CoO层以便调控其界面状态，使得该体系的霍尔电阻率进一步提升。采用复合氧化层MgO/CoO包覆Co/Pt多层膜比单一MgO包覆 Co/Pt多层膜的霍尔电阻率ρxy提升了67%，比纯Co/Pt多层膜的霍尔电阻率ρxy提升了250%，并且其垂直磁各向异性Ku进一步提升。最后，我们还研究了Co/FeMn多层膜中难轴诱导的EB。在其反磁化过程中发现了奇特的反磁化不对称行为，具体表现为磁化强度随磁场的反常变化以及正的交换偏置（EB）。在磁滞回线上存在着两个独立的反磁化不对称行为，分别由FM层以及界面未补偿净磁矩层的磁矩不一致反转导致的。