双合成反铁磁薄膜结构及其对自旋阀性能的影响

合成反铁磁薄膜在磁性存储元件中的应用可以提高元件的磁性能，但合成反铁磁薄膜的饱和磁化场、矫顽力、饱和磁化强度及其钉扎稳定性等性质有待进一步优化。我们的初步探索发现双合成反铁磁薄膜的综合磁学性质明显优于传统的合成反铁磁薄膜，有可能替代传统的合成反铁磁结构应用于磁性存储元件，以满足更高存储密度的要求，为此，我们拟借助本项目的支持，系统研究双合成反铁磁薄膜的性能。一方面，基于现有双合成反铁磁薄膜，设计并制备高性能双合成反铁磁薄膜结构，在已有结构中引入半金属材料，借助多种结构及磁学性质测试手段，表征薄膜的微结构及磁学性质，研究膜厚、组分对磁性能的影响，寻找具有更高饱和场、更低矫顽力和饱和磁化强度的薄膜结构；另一方面，将不同结构的双合成反铁磁薄膜应用于自旋阀，探索双合成反铁磁薄膜对自旋阀性能的影响规律，提高自旋阀的灵敏度和热稳定性。

本项目围绕双合成反铁磁薄膜结构展开研究。首先，选择Co90Fe10这一传统材料，将其制备成Co90Fe10/Ru/Co90Fe10合成反铁磁结构，对其结构及磁学性质进行研究，观测到强合成反铁磁行为。继而对Co90Fe10/Ru/Co90Fe10/Ru/Co90Fe10双合成反铁磁结构进行制备及磁学性质的研究，通过改变两个非磁Ru层的厚度，优化出最佳Ru层厚度，且该双合成反铁磁结构的饱和场Hs高达15000 Oe，较传统Co90Fe10-SyAF 结构的Hs要高的近50%，充分体现了双合成反铁磁结构的优势。其次，为了提高合成反铁磁结构的综合磁学性质，我们在合成反铁磁结构中引入了半金属磁性材料。依据Co/Ru/Co间强烈的反铁磁耦合特性，选择具有高自旋极化率的富钴半金属合金材料Co2FeAl为铁磁层，制备了Co2FeAl/Ru/Co2FeAl合成反铁磁结构，并对其磁性能及热稳定性进行了研究。实验研究表明，该结构呈强反铁磁耦合特性，较传统的Co90Fe10合成反铁磁结构有着更低的矫顽力和饱和磁化强度，且饱和场和热稳定性满足了在磁读出头中的应用要求。接下来我们对半金属合成反铁磁结构进一步改进，制备成双合成反铁磁结构Co2FeAl/Ru/Co2FeAl/Ru/Co2FeAl，以期获得稳定性更好的新型合成反铁磁结构。将该结构的饱和场，热稳定性等与其他SyAF和DSyAF进行对比，发现其热稳定性高达400 oC，明显高于其它合成反铁磁结构，同时，结构研究还表明，Co2FeAl在400 oC退火可以获得B2相，该相具有良好的半金属性质，而采用Co2FeAl的B2相为铁磁层的磁隧道结结构有着优异的隧穿磁电阻特性。由此可知，该半金属双合成反铁磁结构将有望应用于磁隧道结结构中，进一步提高隧穿磁电阻特性。此外，在项目资助下，我们还对垂直磁各向异性薄膜、纳米氧化层自旋阀、稀磁半导体材料等进行初步探索并取得一定成果。. 在项目资助下发表SCI论文24篇，其中影响因子2.0以上文章9篇；申请发明专利1项，获得授权发明专利4项；培养博士毕业生4名，硕士毕业生6名；国际会议邀请报告4人次，出国参加国际会议2人次。项目负责人在2011年入选“北京市科技新星计划”，2012年入选“北京市优秀人才”。1名项目组成员晋升副教授。