• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com


Многослойные гранулированные материалы

Для создания магниторезистивных преобразователей, обладающих высокой чувствительностью, необходимы тонкопленочные материалы не только с относительно большим магнетосопротивлением в слабых магнитных полях, но и с мелкодисперсной гранулированной структурой, размеры кристаллических зерен в которых приближаются к нанометрам. Примерно такие же требования предъявляются к гранулированной структуре тонкопленочных многослойных материалов, применяемых для рабочего слоя магнитного носителя информации, экранирующих элементов и т.п.

Гранулированная структура наблюдается в тонкопленочных образцах со спин-вентильным переходом Mnlr/CoFe, магниторезистивные свойства которых зависят от толщины и микроструктуры пермаллоевого слоя, на котором формируется такой переход. Например, для тонкопленочных образцов с многослойной структурой: Ta/NiFe(т)/MnIr(6,8HM)/CoFe(2HM)/Cu(2,5HM)/CoFe(2HM)/Та(2нм) с увеличение толщины т и размеров кристаллических зерен пермаллоевого (NiFe) слоя от 0 до 2 нм относительное магнетосопротивление ∆р/р возрастает примерно от 2 до 4,8%. При дальнейшем увеличении т от 20 до 50 нм величина ∆р/р монотонно уменьшается от 4,8 до 4,0%. На зависимость ∆р/р =f(т) существенно не влияет изменение толщины слоя тантала, осажденного непосредственно на подложку - об этом свидетельствуют результаты измерений ∆р/р с различной толщиной слоя тантала - от 1,0 до 5,0 нм.

В пермаллоевом слое наблюдались монокристаллические зерна с гранецентрированной кубической текстурой. При увеличении толщины пермаллоевого слоя от 2,0 до 5,0 нм средний размер кристаллических зерен монотонно возрастает примерно от 0 до 17,5 нм. Предполагается, что магниторезистивные свойства рассматриваемых многослойных образцов зависят от кристаллической структуры пермаллоевого слоя, на котором формируются основные слои, обусловливающие спин-вентильный переход.

Кристаллические гранулы нано метровых размеров наблюдались в магниторезистивных тонкопленочных образцах с туннельным переходом (FeCo или FeNi)-MgF2 Эти образцы формировались с применением мишеней из железа, кобальта (или никеля) и MgF2 в атмосфере аргона при давлении 1,1 Па. Первоначальное давление в камере осаждения не превышало 1,3*10-4 Па.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что относительное магнетосопротивление ∆р/р этих магниторезистивных образцов зависит от состава их магнитных фракций. Величина ∆р/р максимальна для тонкопленочных образцов, содержащих Fe(75%),Ni(25%), и составляет около 13,3%. Значение ∆р/р получено при комнатной температуре в довольно сильном внешнем магнитном поле - примерно 800 кА/м. В сравнительно слабом магнитном поле напряженностью 40-80 А/м относительное магниторезистивное сопротивление этих образцов равно примерно 4%. Это означает, что тонкопленочные материалы данного состава можно использовать для изготовления высокочувствительных элементов магниторезистивных преобразователей.

Гранулированная структура характерна и для тонкопленочных материалов с туннельным магнетосопротивлением. Такие материалы широко применяются для изготовления высокочувствительных элементов магниторезистивных преобразователей различного назначения, Результаты экспериментальных исследований магниторезистивных и магнитных свойств тонкопленочных материалов с туннельным переходом впервые были опубликованы более 25 лет назад. Большая величина относительного магнетосопротивления обнаружена в 1995 г. в магниторезистивных образцах с туннельным переходом, сформированном в довольно простой трехслойной структуре с магнитными слоями и диэлектрической прослойкой Аl2O3. С тех пор всестороннее исследование тонкопленочных материалов с туннельным магнетосопротивлением, осажденных при различных технологических условиях, продолжается. При этом используются магнитные, электропроводящие и диэлектрические вещества, из которых чаще всего формируются сложные многослойные структуры.

Сравнительно большое относительное магнетосопротивление получено в многослойных структурах Fe/MgF2 и Co/MgF2, которые формировались в сверхвысоком вакууме. Для осаждения магнитных и немагнитных слоев использовались независимые источники. Толщина магнитных слоев Fe и Со варьировалась от 1,0 до 7,0 нм, а слоев MgF2 - в пределах 1,0-4,0 нм.

При увеличении толщины магнитных слоев железа и кобальта при фиксированной толщине немагнитных слоев MgF2 в обоих многослойных структурах FeMgF2 и CoMgF2 удельное электрическое сопротивление заметно уменьшается. Максимальное относительное магнетосопротивление ∆р/р=8,5%, достигнутое для многослойной структуры Fe/MgF2 при толщине слоев Fe и MgF2, соответственно равно 1,5 и 2 нм. Эта величина относительного магнетосопротивления получена во внешнем магнитном поле напряженностью 1200 кА/м, а в поле напряженностью 4000 кА/м она составляла 11 %. Величина Ар/р для многослойной структуры Co/MgF2 существенно меньше: при толщине слоев Со и MgF2, соответственно равной 1,5 и 3,0 нм, и составляет примерно 5,4%.

С понижением температуры от 300 до 4 К относительное магнетосопротивление тонкопленочных образцов с многослойной структурой Fe/MgF2 увеличивается от 8,5 до 13,5%.

Результаты экспериментальных исследований многослойных материалов CoFe/Al2O3, NiFe/Al2O3 и NiFe/SiO2 показали, что лучшими электрическими свойствами обладают многослойные пленки CoFe/Al2O3. Удельное электрическое сопротивление пленки CoFe/Al203 при толщине каждого слоя около 1 нм составляет не менее 10 мОм*см, а их коэрцитивная сила от 80 до 240 А/м и намагниченность насыщения больше 0,9 Тл. Их магнитная проницаемость сравнительно небольшая и почти не изменялась при увеличении частоты до 1 ГГц. В рассматриваемых многослойных материалах наблюдается наногранулированная структура. По электрическим и магнитным свойствам рассмотренные материалы можно использовать для изготовления магнитных экранирующих элементов тонкопленочных воспроизводящих преобразователей.

Проведенный анализ показывает, что, для записи с поверхностной плотностью информации равной 1 Тбит/дюйм2, рабочий слой магнитного носителя должен обладать высокой коэрцитивной силой - не менее 960 кА/м - при среднем размере кристаллических зерен - около 8 нм. К этим магнитным и структурным характеристикам приближается тонкопленочный материал, в котором магнитные частицы FePt распределены в одной из немагнитных матриц С, SiO2 и В2O3. В частности, коэрцитивная сила для тонкопленочных образцов FePt(10 HM)/SiO2(l,5 нм) достигает 960 кА/м после термической обработки при температуре 650 °С. Однако в таких образцах размер кристаллических зерен превышает 40 нм. Размер зерен уменьшается примерно до 10 нм при уменьшении температуры отжига до 600 °С и незначительно изменяется при дальнейшем падении температуры отжига до 450 °С. К сожалению, с уменьшением температуры отжига с 650 до 450 °С коэрцитивная сила уменьшается примерно от 960 до 80 кА/м. Для сравнения: при том же изменении температуры отжига пленок FePt толщиной 50 нм без диэлектрической матрицы SiO2 коэрцитивная сила уменьшается от 1200 до 640 кА/м, а размер зерен - от 58 до 28 нм, т.е. в структуре рассматриваемых пленок преобладают кристаллические зерна крупных размеров.

Размер кристаллических зерен в гранулированной структуре тонкопленочных материалов - один из важных параметров, от которых зависят магниторезистивные, магнитные и другие свойства. Больший практический интерес для разработчиков высокочувствительных магниторезистивных преобразователей, магнитных носителей информации и т.п. представляют многослойные тонкопленочные материалы с наногранулированной структурой.

Технологии и фундаментальные знания

Технология - совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или полуфабрикатов...

читать далее

Начало развития твердотельной электроники

Толчком для развития твердотельной электроники послужили долгое время необъяснимые физические загадки, называемые...

читать далее

В последнее время широко используется силицидная технология, включающая операцию осаждения тонкого слоя титана...

читать далее