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稀土—过渡垂直软/硬磁多层膜制备及磁电特性研究

【摘要】:基于磁隧道结的磁随机存储器的巨大市场潜力有望取代传统的静态与动态随机存储器,成为新一代通用存储器。非晶重稀土-过渡合金薄膜具有良好的垂直磁各向异性和稳定性,可应用于磁随机存储器领域。其中GdFeCo、TbFeCo等传统磁光存储介质薄膜目前也广泛应用于热点超快磁记录和磁电器件上,研究其制备方法和垂直磁特性具有非常重要的意义。基于以上现状,本论文成功制备了稀土-过渡金属(Gd,Tb)-FeCo薄膜以及软/硬磁多层膜结构,系统的研究了薄膜和多层膜的磁电特性。主要研究内容和结论如下:首先,复合靶采取FeCo合金靶和稀土Gd贴片的组合方式,通过射频磁控溅射制备了一系列非晶GdFeCo薄膜。实验结果表明,溅射功率能够有效调节薄膜磁特性,随着溅射功率的增加,薄膜磁特性由富过渡(TM-rich)向富稀土(RE-rich)转变。这归因于溅射功率对非晶GdFeCo薄膜成分的微调,并通过热磁曲线的测量得到验证。其次,制备了结构为Si/Ta/MgO/GdFeCo/MgO多层膜样品。MgO作为电介质层,使得多层膜结构可施加适当外加电场。利用极向磁光克尔效应表征方法,研究了电场对薄膜磁电特性的影响。结果表明,负偏压能够明显调节GdFeCo薄膜的矫顽力。进一步改进薄膜结构有望应用于电场调控技术。随后,通过调节溅射工艺调控薄膜的磁电特性,成功制备了双层GdFeCo反铁磁耦合结构。结果表明,零场附近两层GdFeCO的净磁矩大小相当、方向相反而相互抵消,并且在高场中实现了多次磁化反转。对于研究反铁磁耦合材料具有重要价值。最后,成功制备了GdFeCo/TbFeCo软/硬磁结构多层膜,研究了软磁层厚度对多层膜磁电特性的影响。随着GdFeCo厚度的增加,在异质结构中逐步观察到交换弹簧(exchange-spring)和软硬两磁相反转;并发现体系中高达几百奥斯特的垂直交换偏置场;测量出垂直交换能介于0.18–0.30erg/cm~2的范围内,并且交换能随着GdFeCo层厚度的增加而增大。这可归因于我们实验范围内GdFeCo层的垂直各向异性增强。通过结合具有不同磁特性的单层磁性薄膜可获得具有期望特性的复合多层膜。

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