• 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.

Суперкомпьютеры

Высокопроизводительные вычислительные системы, суперЭВМ, принято считать форпостом компьютерной техники. Они в значительной...

читать далее

Интегральная схема

В современном представлении интегральная схема - конструктивно законченное изделие электронной техники, содержащее...

читать далее

Нанотранзистор

При достижении размера элементов около 100 нм произойдет смена доминирующей в настоящее время КМОП-технологии...

читать далее